Wissenschaftler packen Jahrhunderte der organischen Chemie in eine übersichtliche 2D-Visualisierung
Neue Methode zur Visualisierung von chemischen Reaktionen
Forscher von Skoltech, der Lomonosov Moscow State University und der Sirius University of Science and Technology haben eine neue Methode zur Visualisierung chemischer Reaktionen vorgeschlagen, die Wissenschaftlern helfen soll, den globalen chemischen Reaktionsraum zu verstehen und Wege zur Synthese organischer Verbindungen für die Industrie zu finden. Die in der Zeitschrift ACS Omega vorgestellte Methode, die auf einem neuronalen Netz basiert, projiziert chemische Reaktionen als Punkte auf eine 2D-Ebene und gruppiert ähnliche chemische Reaktionen zusammen.
Darstellungen chemischer Reaktionen, die als Punkte auf eine Ebene projiziert werden, um eine intuitive Gruppierung zu ermöglichen.
Mikhail Andronov et al./ACS Omega
Chemiker sind ständig auf der Suche nach neuen Möglichkeiten, nützliche organische Verbindungen zu synthetisieren. Diese können von Wirkstoffen in Medikamenten und Pestiziden bis hin zu Kraftstoffzusätzen und anderen industriell bedeutsamen Substanzen reichen: organische LEDs, Farbstoffe und Pigmente usw. Da es viele Möglichkeiten gibt, eine organische Verbindung zu synthetisieren, müssen medizinische Chemiker in großen Reaktionsdatenbanken recherchieren. Selbst für eine einfache Verbindung kann man Hunderte von bereits bekannten Synthesewegen finden. Es ist eine Herausforderung, diese Datenmenge allein mit dem menschlichen Verstand zu analysieren.
"Bei der Analyse einer typischen Datenbanksuche kann ein Chemiker Reaktionen ähnlicher Art gruppieren, um eine Vorstellung von der synthetischen Landschaft der Verbindung zu bekommen, aber dies erfordert eine gut etablierte chemische Intuition und kann auch subjektiv sein", sagt der Leiter der Studie Sergey Sosnin von Skoltech.
Um diesen Prozess zu vereinfachen und kohärenter zu gestalten, haben die Forscher eine Methode entwickelt, um die "Essenz" chemischer Reaktionen zu erfassen und sie zur leichteren Analyse in einem Diagramm darzustellen. "Es ist bequemer, ein Bild zu betrachten als eine lange Liste von Reaktionen. Wir visualisieren die Reaktionen anhand der Reaktanten und Produkte", fügt Sosnin hinzu.
Die vorgeschlagene Methode wandelt ein Molekül in eine numerische Darstellung (Bitvektor) um. Dann extrahiert der Algorithmus die Essenz der Reaktion, indem er die Vektoren der Reagenzien von denen der Produkte subtrahiert. "In gewisser Weise steht der resultierende Vektor für alles, was sich bei der Reaktion verändert hat, unabhängig davon, welche spezifischen Verbindungen beteiligt waren", erklärt Sosnin. "Das macht ihn zu einer so mächtigen und reinen Darstellung einer Reaktion."
Das Problem mit Reaktionsvektoren ist, dass sie an sich unverständlich sind - es sei denn, man ist gut darin, in 1.024 Dimensionen zu denken.
"Wir visualisieren diese Vektoren, die für den Menschen unzugänglich sind, mit einem Ansatz, der als parametrisierte t-verteilte stochastische Nachbarschaftseinbettung bekannt ist", erklärt der Forscher. "Ein neuronales Netz projiziert jeden mehrdimensionalen Vektor auf die Koordinaten eines Punktes in einer Ebene."
Anhand dieses Diagramms kann ein Chemiker typische Reaktionstypen erkennen, zum Beispiel die Cluster, die in Abbildung 1 durch die Rauten mit den Nummern eins bis drei gekennzeichnet sind. Angenommen, jemand interessiert sich für die Synthese des HIV/AIDS-Medikaments Darunavir (lila Kreise) oder des Asthmamittels Montelukast (graue Kreise). Die Visualisierung gibt Aufschluss darüber, welche Reaktionstypen für den jeweiligen Zweck am häufigsten verwendet werden und welche - trotz möglicher gegenteiliger Annahmen seitens des Forschers - zu wenig oder vielleicht gar nicht genutzt werden.
Das Team betont den objektiven Charakter der Visualisierung. Das ist ein bisschen so, als ob man Tiere nur anhand ihrer DNA klassifizieren würde, ohne sie jemals in Augenschein genommen zu haben. So kann man zum Beispiel feststellen, dass Falken überraschenderweise enger mit Papageien verwandt sind als mit anderen Raubvögeln. Bei chemischen Reaktionen können uns fehlerhafte Intuitionen ähnliche Streiche spielen.
Hinweis: Dieser Artikel wurde mit einem Computersystem ohne menschlichen Eingriff übersetzt. LUMITOS bietet diese automatischen Übersetzungen an, um eine größere Bandbreite an aktuellen Nachrichten zu präsentieren. Da dieser Artikel mit automatischer Übersetzung übersetzt wurde, ist es möglich, dass er Fehler im Vokabular, in der Syntax oder in der Grammatik enthält. Den ursprünglichen Artikel in Englisch finden Sie hier.
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