أصبح الحصول على المواد الكيميائية ذات الخصائص المرغوبة على أساس النمذجة الحاسوبية للأنظمة الجزيئية الذرية حقيقة واقعة في المختبر الدولي للنمذجة متعددة الوظائف للمركبات متعددة الوظائف بجامعة جنوب الأورال الحكومية. سيسمح ذلك بتركيب مواد وأدوية جديدة وفهم مبادئ التفاعلات الكيميائية الحيوية على المستوى الجزيئي.
خوارزميات جديدة للنمذجة الحاسوبية لهيكل المواد
الدكتور، أستاذ في جامعة فلوريدا (الولايات المتحدة الأمريكية) أرتيوم ماسونوف ودكتورة في العلوم الكيميائية، البروفيسور إيكاترينا بارتاشيفيتش يديران المختبر منذ عام 2016م.
يعمل علماء معهد العلوم الطبيعية والدقيقة على البحث في تقاطع الكيمياء والمعلوماتية الكيميائية وتصميم الكمبيوتر للخصائص الفيزيائية والكيميائية للمواد. لا يمكن التنبؤ بالخصائص الفيزيائية والكيميائية للمواد فحسب، بل يمكن أيضًا تحقيق تغييراتها الموجهة، بالاعتماد على التصميم العقلاني لهيكل الأنظمة الجزيئية الذرية. هذا مهم للحصول على مركبات كيميائية جديدة يمكن استخدامها في الصناعة والتقنيات العالية والطب، مما يقلل بشكل كبير من وقت البحث التجريبي في المختبرات الكيميائية. تتمثل المهمة ذات الأولوية للمختبر في تطوير الخوارزميات ونهج النمذجة الحاسوبية لهيكل وخصائص المواد العضوية والهجينة.
«نحن نسعى جاهدين لاستخدام التقنيات الرقمية مثل التعلم الآلي والذكاء الاصطناعي والخوارزميات التطورية في الكيمياء. أصبحت كل هذه الأدوات مجموعة تقليدية من كيميائي حديث وتم تضمينها بقوة في حياتنا المهنية اليومية. في الوقت نفسه، يحل المختبر مجموعة متنوعة من المشكلات العملية المتعلقة بتحسين الخصائص المفيدة للمواد»,- تشرح إيكاترينا بارتاشيفيتش.
يعمل المختبر بنشاط على تطوير التعاون الدولي. نتيجة للتعاون مع كلية بيرلمان للطب، جامعة بنسلفانيا، تم تطوير طريقة للتنبؤ الحسابي بامتصاص الضوء بواسطة مركبات البورفيرين. البورفيرينات هي مواد طبيعية تشارك في عمليات مثل التمثيل الضوئي، ونقل الأكسجين، ونقل الإلكترون. تفرد هذه المواد هو أنها تسمح بإدخال بدائل مختلفة في تركيبتها، مما يجعل من الممكن تغيير خصائص المواد.
كان الهدف من هذه الدراسة المشتركة هو إنشاء حوامل صبغية جديدة (سلاسل مترافقة من مجموعات غير مشبعة من الذرات تحدد لون مادة ما) للنمذجة ثلاثية الأبعاد لمحتوى الأكسجين في عملية النشاط الحيوي لأنسجة المخ.
في الصورة: إيكاترينا بارتاشيفيتش
التعاون مع الأكاديمية الروسية للعلوم
يتعاون المختبر الدولي للنمذجة متعددة النطاقات للمركبات متعددة الوظائف بشكل وثيق مع معهد التخليق العضوي، فرع الأورال التابع لأكاديمية العلوم الروسية، يكاترينبورغ. يدرس العلماء خصائص الجزيئات المحفزة، والتي بدونها سيكون تخليق الدواء غير المتماثل مستحيلًا.
يشارك طاقم المختبر في حسابات الخصائص الطيفية والضوئية للبلورات الجزيئية ، وتحليل الخصائص المرنة ، والبحث عن مركبات ميكانيكية جديدة يمكنها تغيير لونها اعتمادًا على النشاط البدني، واستخدام أساسيات المعلوماتية الكيميائية للبحث عن التعديلات المستهدفة للمحفزات الضوئية على أساس نيتريد الكربون.
اتجاهات علمية جديدة
يتم تطوير اتجاه جديد للمختبر بنشاط - تصميم الكمبيوتر للمواد البصرية.
«كان موضوعًا جديدًا أثار اهتمامنا قبل عام مرتبطًا بالخصائص الميكانيكية للبلورات الجزيئية: تركزت جهودنا على إيجاد بلورات مفردة مرنة ومرن وخالية من الهشاشة. تم تجميع أساس متين ، مما سمح لنا بالفوز بمنحة من المؤسسة الروسية للأبحاث الأساسية. أصبح تحديد البلورات المفردة المرنة أمرًا ممكنًا بفضل تقنية حسابية جديدة يطورها فريقنا »كما تقول إيكاترينا بارتاشيفيتش.
بناءً على نتائج البحث الذي تم إجراؤه في المختبر، يتم نشر مقالات في مجلات علمية رفيعة المستوى في مجال علم المواد. على سبيل المثال، هناك مقال نُشر في مجلة Crystal Growth & Design (Q1) "اختبار الشد الافتراضي للأشكال الهشة والبلاستيكية والمرنة من 4-Bromophenyl 4-Bromobenzoate".
تم مؤخرًا قبول مقال للنشر في Scientific Reports ، 2020 (أعلى 10%). تم تخصيص العمل لتحديد الأدوية التي تستخدم أطياف الأشعة تحت الحمراء من خلال أساليب التعلم الآلي "التعرف على التعلم الآلي عالي الدقة لتصنيف المركب الجزيئي المرتبط بالفنتانيل عبر تحليل المجموعة الوظيفية التأسيسية". يصف هذا المنشور تطبيق أساليب التعلم الآلي لتحديد المجموعات الوظيفية في المركبات العضوية بناءً على أطياف الأشعة تحت الحمراء. متوسط دقة التحديد الصحيح للمجموعات الوظيفية هو 92.5%. ستزود نتائج هذا العمل الذكاء الاصطناعي بالأدوات والخوارزميات بثقة متزايدة لاكتشاف الجزيئات المرغوبة.
يخطط المختبر لتطوير التعاون الدولي مع المراكز والمعاهد التعليمية الرائدة في الأكاديمية الروسية للعلوم.
جامعة جنوب الأورال الحكومية هي جامعة للتحولات الرقمية، حيث يتم إجراء البحوث المبتكرة في معظم المجالات ذات الأولوية لتطوير العلوم والتكنولوجيا. وفقًا لاستراتيجيات التطور العلمي والتكنولوجي للاتحاد الروسي، تركز الجامعة على تطوير مشاريع علمية كبيرة متعددة التخصصات في مجال الصناعة الرقمية والكيمياء وعلوم المواد.