欧美精品免费观看二区_九幺视频极速版下载安装免费_精品国产一区二区三区色欲_777影院理伦片片_天堂www在线观看_我被五个黑人p了一夜_丁香五月亚洲综合深深爱_久久爽av亚洲精品天堂_男女野外做爰电影免费

浙大團(tuán)隊將化學(xué)知識引入機(jī)器學(xué)習(xí),提出可外推、可解釋的分子圖模型預(yù)測反應(yīng)性能

2025-05-18 點(diǎn)擊數(shù):0 分享至:


化學(xué)反應(yīng)的預(yù)測建模在藥物發(fā)現(xiàn)、材料科學(xué)等領(lǐng)域至關(guān)重要。然而,化學(xué)轉(zhuǎn)化的復(fù)雜性與多樣性,使得構(gòu)建兼具強(qiáng)外推能力和化學(xué)可解釋性的合成轉(zhuǎn)化預(yù)測模型頗具挑戰(zhàn)。

圖片

為彌合豐富的化學(xué)領(lǐng)域知識與先進(jìn)分子圖模型間的鴻溝,浙江大學(xué)洪鑫課題組提出了基于知識的分子圖模型SEMG-MIGNN,該模型嵌入了數(shù)字化空間和電子信息。同時,研究團(tuán)隊開發(fā)了分子相互作用模塊,以解析反應(yīng)組分的協(xié)同影響。

實驗表明,這種基于知識的圖模型可精準(zhǔn)預(yù)測反應(yīng)產(chǎn)率和空間選擇性,且外推能力經(jīng)實驗驗證。得益于局部環(huán)境嵌入,模型能從原子層面闡釋空間和電子效應(yīng)對整體合成性能的影響,為分子工程實現(xiàn)目標(biāo)合成功能提供了有力指導(dǎo),也為反應(yīng)性能預(yù)測提供了兼具外推性與可解釋性的新方法,凸顯了化學(xué)知識約束反應(yīng)建模在合成領(lǐng)域的重要性。

圖片

對化學(xué)反應(yīng)性和選擇性的深入理解與準(zhǔn)確預(yù)測,是合理高效探索大規(guī)模合成空間的基礎(chǔ)。結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系(SPR)的構(gòu)建主要圍繞反應(yīng)機(jī)理研究和決定性過渡態(tài)模型闡釋展開。借助過渡態(tài)模型,化學(xué)家可剖析反應(yīng)性/選擇性趨勢的根源,并基于化學(xué)理論與經(jīng)驗作出合成判斷。但在缺乏明確機(jī)理基礎(chǔ)和解析方程的情況下,處理高維SPR仍是難題。

數(shù)據(jù)驅(qū)動方法近年來成為構(gòu)建SPR的有力策略?,F(xiàn)代機(jī)器學(xué)習(xí)(ML)算法通過挖掘合成數(shù)據(jù)中的關(guān)聯(lián),可為合成預(yù)測構(gòu)建強(qiáng)大模型。然而,人工合成轉(zhuǎn)化的機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測與設(shè)計仍不成熟,主要瓶頸之一是適用于SPR預(yù)測的分子編碼方法和ML框架不足。

除人工指定的分子編碼工程外,化學(xué)預(yù)測領(lǐng)域?qū)Ρ碚鲗W(xué)習(xí)的關(guān)注與日俱增。隨著表征學(xué)習(xí)的創(chuàng)新與應(yīng)用,數(shù)據(jù)驅(qū)動的分子性質(zhì)和反應(yīng)性能預(yù)測取得顯著進(jìn)展。在SPR預(yù)測方面,MIT的Coley團(tuán)隊將經(jīng)典圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(GNN)模型與選定反應(yīng)位點(diǎn)的量子化學(xué)描述符結(jié)合,開發(fā)了QM-GNN融合模型。該模型將位點(diǎn)特異性電子信息嵌入ML建模,提升了對一系列轉(zhuǎn)化的區(qū)域選擇性和反應(yīng)性的預(yù)測能力,其成功表明增強(qiáng)局部化學(xué)信息表達(dá)可為合成建模提供有價值的支持。

受QM-GNN啟發(fā),研究人員推測,通過豐富化學(xué)環(huán)境的局部編碼并加強(qiáng)反應(yīng)組分間的信息交互,可進(jìn)一步優(yōu)化SPR預(yù)測。

圖片
圖 1:合成性能和分子特性的機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測。
在此,研究人員開發(fā)了一種名為「基于分子相互作用圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的空間和電子嵌入分子圖」(Sterics-and Electronics-embedded Molecular Graph with Molecular Interaction Graph Neural Network,SEMG-MIGNN)的基于化學(xué)知識的 ML 模型,用于預(yù)測合成性能。SEMG-MIGNN 有兩個主要創(chuàng)新設(shè)計:首先,空間和電子效應(yīng)的局部化學(xué)環(huán)境被數(shù)字化并嵌入到圖表示中。這顯著豐富了模型對原子環(huán)境的表征,并提高了模型對新分子結(jié)構(gòu)的外推能力。此外,分子相互作用模塊可以有效地學(xué)習(xí)多個反應(yīng)組分的協(xié)同控制,從而使分子建模有效地擴(kuò)展到 SPR 建模領(lǐng)域。
具體而言,該研究引入了一種稱為空間和電子嵌入分子圖(SEMG)的分子圖模型,該模型結(jié)合了外部化學(xué)知識,以提高模型對局部化學(xué)環(huán)境的區(qū)分能力。該知識增強(qiáng)分子圖的設(shè)計的關(guān)鍵是在節(jié)點(diǎn)中嵌入空間和電子環(huán)境的原子信息。圖 2 以 1- 氯 -4-(三氟甲基)苯為例,展示了設(shè)計的分子圖模型的生成工作流程。
圖片
圖 2:SEMG 的生成工作流程。
基于SEMG豐富的化學(xué)信息,研究人員對GNN框架進(jìn)行改進(jìn)以適配SPR預(yù)測,尤其開發(fā)了分子相互作用模塊以增強(qiáng)反應(yīng)組分間的信息交換。與超圖不同,分子相互作用GNN(MIGNN)依賴矩陣運(yùn)算實現(xiàn)信息交換。
圖片
圖 3:分子相互作用圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(MIGNN)的框架和相互作用模塊的設(shè)計。
MIGNN 的交互模塊為 ML 模型提供了捕捉反應(yīng)組分協(xié)同效應(yīng)的機(jī)會,這對傳統(tǒng)的 SPR 預(yù)測 ML 框架具有挑戰(zhàn)性。在 MIGNN 中,相互作用矩陣允許具有物理意義的反應(yīng)組分的所有可能組合充分交換它們的編碼信息,從而支持模型在反應(yīng)組分交織的高維合成空間中的預(yù)測。
在 Pd 催化的 C-N 交叉偶聯(lián)反應(yīng)的產(chǎn)率預(yù)測和手性磷酸(CPA)催化的硫醇加成 N- ?;鶃啺返膶τ尺x擇性預(yù)測中發(fā)現(xiàn)了很好的預(yù)測。對額外的 CPA 催化劑的進(jìn)一步實驗測試證實了該模型在新催化劑預(yù)測中的外推能力。特別是,研究發(fā)現(xiàn) SEMG-MIGNN 模型在基于支架的拆分任務(wù)中表現(xiàn)出卓越的外推能力,考慮到需要擴(kuò)展可用 SPR 數(shù)據(jù)的領(lǐng)域,這對于合成預(yù)測來說是非常可取的。
圖片
圖 4:SEMG-MIGNN 模型(空間和電子嵌入分子圖與分子相互作用圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò))預(yù)測反應(yīng)產(chǎn)率。(來源:論文)
圖片
圖 5:SEMG-MIGNN 模型預(yù)測對映體選擇性。(來源:論文)
除了出色的預(yù)測能力外,空間和電子效應(yīng)的物理意義編碼還提供了原子級的化學(xué)解釋。對訓(xùn)練模型的分析表明,電子效應(yīng)對 C-N 交叉偶聯(lián)的產(chǎn)率預(yù)測起著至關(guān)重要的作用,而對映體選擇性預(yù)測則嚴(yán)重依賴于空間效應(yīng)。
此外,該模型能夠識別分子結(jié)構(gòu)的熱點(diǎn),用于確定合成性能,為未來的設(shè)計提供有用的見解。該模型的有效性表明,將表示學(xué)習(xí)與數(shù)字化化學(xué)知識相結(jié)合可以支持化學(xué)空間中可泛化模型的開發(fā),為數(shù)據(jù)驅(qū)動的合成轉(zhuǎn)換設(shè)計提供機(jī)會。

研錦生物可以利用基于靶點(diǎn)或小分子結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計方法,對可購買化合物、天然產(chǎn)物等數(shù)據(jù)庫進(jìn)行虛擬篩選,并獲得潛在活性的化合物列表供進(jìn)一步活性實驗確證。面向制藥企業(yè)和科研院所,可提供一站式的早期藥物研發(fā)服務(wù),包括虛擬藥物篩選、先導(dǎo)優(yōu)化、靶標(biāo)預(yù)測、 動力學(xué)模擬等,涉及小分子化學(xué)藥、生物藥、中藥等多種新藥類型,為您提供優(yōu)質(zhì)的藥物發(fā)現(xiàn)服務(wù)


圖片
 聯(lián)系我們 
技術(shù)交流 | 業(yè)務(wù)咨詢
郵件:[email protected]
電話 | 微信:15337192895 (張老師)

Yangenebio對于中藥及小分子藥物研究,建立了一套完整的技術(shù)服務(wù)體系:


武漢研錦生物科技有限公司(YanGeneBio)提供產(chǎn)品:


1,天然產(chǎn)物、中藥、代謝物等化合物靶點(diǎn)發(fā)現(xiàn)及SPR親和力驗證解決方案:

1)中藥/復(fù)方的有效成分高精度鑒定,網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)分析及SPR驗證互作;

2)化合物釣靶(標(biāo)記法):ABPP釣靶(特異性強(qiáng),重復(fù)性高,細(xì)胞水平釣靶);

3)化合物釣靶(非標(biāo)記法):Lip-MS/CETSA(細(xì)胞、組織裂解液水平釣靶);

4)SPR/MST/BLI/ITC/DSF等策略檢測分子間親和力;

5)藥﹣靶結(jié)合位點(diǎn)分析(Lip-MS+分子對接鑒定純蛋白與化合物互作位點(diǎn));

6)蛋白-蛋白結(jié)合位點(diǎn)分析(交聯(lián)質(zhì)譜+分子對接鑒定2個純蛋白間互作位點(diǎn));

7)ABPP-WB/CETSA-WB 在細(xì)胞水平鑒定藥物與靶點(diǎn)蛋白互作分析;

8)提供真核、原核蛋白表達(dá)純化服務(wù);

9)提供定制化基因敲除細(xì)胞模型驗證藥物活性;

10)基于分子對接等策略提供化合物高通量虛擬篩選技術(shù)服務(wù);

11)提供蛋白、抗體芯片篩選服務(wù):磷酸化抗體芯片,炎癥因子蛋白芯片等檢測服務(wù);

12)提供Olink多因子蛋白組學(xué)檢測服務(wù)。


2,提供重組活性細(xì)胞因子產(chǎn)品:應(yīng)用類器官培養(yǎng)、完全培養(yǎng)基添加劑、干細(xì)胞培養(yǎng)、細(xì)胞治療等領(lǐng)域。

3,提供分子互作儀、細(xì)胞電轉(zhuǎn)儀、蛋白純化儀、核酸合成儀及純化儀等設(shè)備。


圖片