데이터 기반 접근 방식을 사용하여 연구원들은 양자 역학적 특성의 약한 상관 관계로 인해 발생하는 분자 구조의 "설계 자유"를 발견했습니다. 이 발견은 기계 학습과 결합되어 분자 설계 및 약물 발견에 혁명을 일으킬 수 있습니다.
원하는 특성을 가진 분자를 찾기 위해 "건초 더미 속의 바늘" 검색을 포함하는 합리적인 분자 설계 과정에 대한 그래픽 설명입니다. 이미지 출처: Leonardo Medrano Sandonas, 룩셈부르크 대학교; Freepik의 rawpixel.com에서 제공하는 배경 이미지
분자와 물질의 광대한 공간을 탐색하기 위한 데이터 중심 방법의 사용은 수많은 학계 및 산업계에서 분자 구조적 특징과 물리화학적 특성 사이에 존재하는 근본적인 관계를 검색하도록 영감을 주었습니다. 이 분야에서 상당한 진전이 이루어졌지만, 화학 및 약학 전반에 걸쳐 이러한 분자의 중요성과 높은 관련성에도 불구하고 관리하기 쉬운 화학 및 화학 물질, 소분자 분야에서도 이러한 복잡한 관계에 대한 포괄적인 이해는 여전히 부족합니다.
룩셈부르크 대학교 물리 및 재료 과학과 이론 화학 물리학 교수인 Alexandre Tkatchenko는 다음과 같이 말했습니다. "분자 구조와 특성 사이의 복잡한 관계를 밝히는 것은 분자 공간을 탐구하고 특성화하는 데 필요한 도구를 제공할 뿐만 아니라 다양한 목표 물리화학적 특성을 가진 분자를 합리적으로 설계하는 능력을 크게 향상시킬 것입니다."
약한 상관관계는 "설계의 자유"를 가져옵니다
권위 있는 저널인 Chemical Science에 게재된 "화합물 공간의 '설계 자유': 목표 양자 역학적 특성을 가진 분자의 Rational in Silico 설계를 향하여"라는 제목의 논문에서 중요한 발견은 작은 분자의 대부분의 양자 역학적 특성이 단지 약한 상관 관계에 있다는 것입니다.
코넬대학교 이론화학 교수인 Robert Di Stasio Jr.는 다음과 같이 말했습니다. "처음에는 이 발견을 합리적인 분자 설계에 대한 도전으로 볼 수 있지만, 우리의 분석은 분자가 동시에 특성 쌍을 나타내지 못하게 하거나 많은 분자가 다양한 특성을 공유하는 것을 방지하는 제약이 거의 없는 것으로 보이는 CCS의 고유한 유연성을 강조합니다."
화학 공간에서 최적의 경로 찾기
분자 설계 프로세스에는 일반적으로 여러 물리화학적 특성의 동시 최적화가 포함됩니다. 이러한 고유한 유연성이 분자 설계 과정에 어떻게 반영되는지 알아보기 위해 저자는 Pareto 다중 특성 최적화 방법을 사용하여 거대분자 극성과 전자 간격이 모두 있는 분자를 찾았습니다. 폴리머 배터리의 새로운 분자를 식별하는 것과 관련된 설계 작업입니다. 저자는 구조적 및/또는 구성적 변화를 통해 분자를 연결하는 화학적 공간을 통해 예상치 못한 여러 경로를 발견했으며, 이는 목표 속성 값을 가진 분자를 합리적으로 설계하고 발견할 수 있는 자유를 반영합니다.
Tkatchenko 교수는 다음과 같이 설명합니다. "잠재적으로 흥미로운 다음 단계는 이러한 파레토 최적 구조와 강력한 기계 학습 방법을 결합하여 지금까지 탐험되지 않은 화학 공간을 체계적으로 탐색하기 위한 신뢰할 수 있는 다목적 프레임워크를 구축하는 것입니다."
분자 설계 패러다임에 미치는 영향
"'설계 자유'가 CCS의 근본적이고 새로운 속성임을 입증함으로써 우리의 작업은 합리적인 분자 설계 및 전산 약물 발견 분야에 일련의 중요한 의미를 갖습니다. 첫째, 이 작업이 화학 과학 커뮤니티가 이러한 고유한 유연성을 활용하여 향후 분자 설계 프로세스에서 지배적인 패러다임을 확장할 수 있는 방법을 고려하게 되기를 바랍니다." 룩셈부르크 대학교 이론 화학 "우리는 또한 이 연구가 목표 특성 세트에 해당하는 분자(또는 분자 세트)를 찾으려고 시도하는 역분자 설계 문제를 해결하는 데 상당한 진전을 이루기를 희망합니다"라고 물리학 그룹의 박사후 연구원인 Leonardo Medrano Sandonas 박사는 설명합니다.
이 연구에서 얻은 통찰력과 고급 기계 학습 방법을 결합하면 Tekatchenko 교수 연구 그룹의 주요 연구 방향인 특정 응용 분야에 대한 새로운 분자의 고처리량 스크리닝을 위한 효과적인 전략을 개발하는 데 도움이 될 것입니다.