Учените използват математика, за да предскажат кристалната структура на съединения за часове вместо за месеци
– Нюйоркски университет
връзка
„Crystal Math“ използва уравнения – и минимални ресурси – за бързо прогнозиране на 3D структурите на молекулярни кристали, което може да ускори научноизследователската и развойна дейност за лекарства и електронни устройства
Изследователи от Нюйоркския университет са разработили математически подход за предсказване на структурите на кристалите – критична стъпка в разработването на много лекарства и електронни устройства – за няколко часа, използвайки само лаптоп, процес, който преди отнемаше на суперкомпютър седмици или месеци. Тяхната нова рамка е публикувана в списанието Nature Communications .
Органичните молекулярни кристали са важен клас материали в много индустрии, от фармацевтиката и селското стопанство до електрониката и експлозивите. Кристалите са градивните елементи, които изграждат много лекарства без рецепта и лекарства с рецепта, инсектициди за борба с комари, експлозиви като TNT, полупроводници и технологии, излъчващи светлина, използвани в телевизионните екрани и мобилните телефони.
Въпреки повсеместното разпространение на молекулярните кристали в много ежедневни продукти, способността да се предвидят техните триизмерни структури остава предизвикателство, особено ако съединението може да кристализира в множество форми. В един драматичен пример за необходимостта от предсказване на кристални структури учените в края на 1990 г. откриха, че капсули от лекарството за ХИВ ритонавир по-късно се трансформират от известната кристална форма в неизвестна, но по-стабилна форма. Тази промяна в кристалната структура направи лекарството неефективно и го изхвърли от пазара, докато не беше създадена нова формула.
Повечето настоящи подходи за прогнозиране на кристални структури използват базирани на физика методи, които имат ограничения, включително въвеждане на пристрастия и грешки или прогнозиране на твърде много кристални форми, отколкото действително се срещат в експериментите. Освен това методите изискват значителна изчислителна мощност и могат да отнемат седмици до месеци, в зависимост от сложността на съставните молекули.
„Тези базирани на физиката подходи – които са скъпи и отнемат време – произвеждат прогнози, които са толкова точни, колкото и физиката, която влагате в тях, поради което има тласък към изчислителни методи, които могат да се справят с този недостатък“, каза Марк Тъкърман , професор по химия и математика в Нюйоркския университет и главен автор на изследването.
За да преодолеят това предизвикателство, Тъкърман и Николаос Галанакис, следдокторантски изследовател в Нюйоркския университет, разработиха нов математически подход, който те нарекоха „Кристална математика“, за да предскажат кристални структури въз основа на чисто математически правила, управляващи как молекулите се опаковат в кристали и няколко прости физически дескриптора от средата на кристала. След това Crystal Math решава за 13 основни параметъра, свързани с подреждането на молекулите в кристала – включително местоположение и ориентация на молекулите и геометрията на основните градивни елементи на кристала – плюс други геометрични фактори, които определят формата на всяка молекула в кристала.
Тъкърман и Галанакис провериха правилата на Crystal Math, използвайки Cambridge Crystal Data Center , база данни от стотици хиляди известни органични молекулярни кристални структури. По-конкретно, изследователите тестваха дали техните хипотетични математически правила се спазват от структурите в базата данни, което ги насочи към принципи, които известните структури е много вероятно да следват. След това те вграждат тези принципи в набор от уравнения, чиито решения сега могат да се използват за прогнозиране на молекулярни кристални структури, които не се намират в базата данни. Обичайни фармацевтични продукти като аспирин и парацетамол, чиито структури вече са известни, бяха използвани като прости тестови случаи.
Илюстриране на стъпките на Crystal Math за аспирин: Процедурата започва с проста молекулярна диаграма на съединението, информацията от тази диаграма се подава в уравненията на Crystal Math, а изходът е триизмерните структури и топологично класиране на експериментално осъществими кристални форми, от които има три за аспирина. Кредит: Изследователска група Тъкърман
След това, използвайки уравненията на Crystal Math, изследователите приложиха своята процедура към по-сложни молекулярни кристали, включително силно гъвкави молекули, чиито структури не са в базата данни и получиха структурни прогнози, които съвпадат с тези, генерирани в експерименти с висока точност.
„Изглежда, че досега нашите уравнения ни дават само експериментално реализуеми кристални структури, което адресира проблема с базираните на физиката методи, които са склонни да „свръхпредсказват“ броя на възможните структури, което означава, че някои от прогнозираните структури може никога да не бъдат намерени експериментално “, каза Тъкърман.
Важното е, че решенията могат да бъдат постигнати само за няколко часа на стандартен лаптоп, вместо да се изискват дълги времеви мащаби и високопроизводителни компютри, изисквани от методите, базирани на физика.
„Времето за решение вече не е седмици до месеци – можем да получим решение за една нощ, защото решаването на уравненията е относително бързо“, добави Тъкърман.
Crystal Math представлява кулминацията на седем години работа на Тъкърман и Галанакис за разработване на математическо решение на този проблем с голямо предизвикателство. Тъкърман е особено вдъхновен от статия от 1967 г. на швейцарския математик и кристалограф Йохан Якоб Буркхард, който предполага, че трябва да е възможно да се използва математика за предсказване на кристални структури, но не предлага собствено решение.
Повече от 55 години по-късно базираният на математика протокол на Тъкърман и Галанакис привлече интерес от страна на фармацевтичната индустрия и е обещаващ за изследване на все още неоткрити съединения и прогнозиране на техните кристални структури.
„Самата способност за разработване на нови продукти зависи от знанието дали съединенията, които ги съставят, ще кристализират, колко кристални форми са възможни и стабилността на тези различни форми“, каза Тъкърман. „С нашия математически подход е възможно да се тества способността на много съединения да кристализират и да се определи дали тези структури са подходящи за окончателно внедряване на пазара.“
