Komputery wymyślą leki?

Prace nad automatycznym programem, planującym syntezy organiczne, prowadzone były już od lat 60-tych XX wieku. Systemy ten nie były jednak w stanie "myśleć" dalej, niż jeden krok do przodu - nie nadawały się więc do planowania złożonych syntez związków organicznych. Zmienia to program "Chematica", przedstawiony na łamach "Nature".

Autorami dokonania jest grupa trzynastu naukowców z Instytutu Chemii Organicznej PAN i trojga z Northwestern University w USA. Pracami nad "Chematica" kierował od prawie 20 lat prof. Bartosz Grzybowski. Prace prowadził najpierw w ramach start-upu założonego na tym amerykańskim uniwersytecie, a ostatnio w Instytucie Chemii Organicznej PAN i koreańskim Institute for Basic Science.

Na przestrzeni lat naukowcy ci opracowali program komputerowy, pozwalający na stworzenie w zasadzie każdego związku chemicznego, który może przyjść chemikowi do głowy - nawet, jeśli wykonanie zdawało się niewykonalne lub bardzo trudne - opisuje w rozmowie z PAP prof. Grzybowski.

"+Chematica+ umożliwia syntezę znanych lub nieznanych do tej pory związków. Dzięki +Chematice+, metody ich syntezy można tworzyć szybciej i wydajniej, bo algorytm może dobrać bardziej dostępne surowce niezbędne do syntezy" - dodaje naukowiec. Podaje przykład różnego rodzaju związków, które co prawda występują naturalnie w przyrodzie - ale w ograniczonej ilości.

Wcześniej programy komputerowe wykorzystywane były tylko do prostych syntez, które równie dobrze chemicy mogli zaprojektować w ciągu kilku minut, i to bez pomocy komputera. "Jest jednak wiele związków, których powstanie wymaga aż kilkudziesięciu kroków syntezy. Tak jest na przykład z taksolem - lekiem na raka. Żeby go wykonać, trzeba się naprawdę natrudzić, bo planowanie syntezy złożonych związków w chemii jest jej najtrudniejszym działaniem" - podkreślił prof. Grzybowski.

Wskazał, że tego typu skomplikowanych syntez może się podjąć najwyżej około tysiąca bardzo dobrze wykwalifikowanych osób na świecie. Taka praca wymaga jednak miesięcy, a nawet lat. "System Chematica robi to zaledwie w ciągu kilku godzin i to w sposób bezbłędny, co potwierdzają opublikowane w Nature eksperymenty przeprowadzone we wspolpracy z grupami prof. Jacka Młynarskiego z ICHO i Milana Mrksicha z Northwestern - mówi badacz. Wskazuje że pojawiły się już pierwsze prace czołowych amerykańskich uniwersytetów, których autorzy zweryfikowali poprawność działania programu we własnych syntezach, np. do produkcji potencjalnych leków na COVID. (https://chemrxiv.org/articles/preprint/Reinforcing_the_Supply_Chain_of_COVID-19_Therapeutics_with_Expert-Coded_Retrosynthetic_Software/12765410).

Algorytm nauczony jest również tworzenia nowych związków w taki sposób, by ich syntezy były przyjazne dla środowiska. To oznacza, że niezbędne do ich stworzenia komponenty czy też metody reakcji nie mogą być toksyczne - wyjaśnia naukowiec z PAN. "Chematica" jest też "sprytna": może syntezować np. leki w taki sposób, by obejść znane patenty - potrzebne związki powstają w sposób inny, niż jest to ujęte w zastrzeżonej procedurze; z innych składników.

"Oprócz leków +Chematica+ radzi sobie też oczywiście z planowaniem syntez związków wykorzystywanych w innych działach przemysłu - pigmentów, feromonów, czy też związków używanych w nowoczesnej optoelektronice" - dodaje naukowiec.

Prof. Grzybowski mówi, że naukowcy pracowali nad takim programem praktycznie od momentu powstania komputerów. Miał on umożliwić planowanie skomplikowanych syntez chemicznych z pominięciem udziału człowieka. Jeszcze na początku XXI w. koledzy po fachu, z którymi rozmawiał prof. Grzybowski - byli przekonani, że takiego systemu nie da się opracować. Dlaczego? Bo system musiałby umieć naśladować "natchnione" myślenie chemika i działać w oparciu o olbrzymią liczbę reguł chemicznych, których jest ok. 100 tys.

"Komputer trzeba nauczyć nie tylko +myślenia+ (metodami sztucznej inteligencji), ale też zakodować mu wszystkie podstawowe reguły chemii. To są czasami bardzo skomplikowane reguły +inżynieryjne+, działające na poziomie atomów" - opisuje naukowiec.

Przypomniał on podziwiany przez ludzi na świecie program, który pokonał mistrza gry w GO, co niedawno również opisano w "Nature". "W porównaniu do GO, chemia syntetyczna jest dużo bardziej skomplikowana" - skomentował. I przypomniał, że nad wykonaniem programu, planującego skomplikowane syntezy chemiczne w trójmiarze, skupiali się m.in. najwięksi chemicy XX w., tacy jak Elias James Corey - laureat nagrody Nobla, Ivar Karl Ugi czy Carl Djerassi.

"Jeszcze gdy byłem doktorantem na Harvardzie, prof. E. J. Corey doradzał mi po własnych nieudanych próbach, by się przygotowaniem takiego systemu nie zajmować, bo to był - w jego ocenie - problem nie do rozwiązania. To było ponad 20 lat temu" - wspomina prof. Grzybowski.

Polski badacz - wbrew opinii części środowiska - nie porzucił pracy nad systemem, który od jego amerykańskich "początków" został już skomercjalizowany w ramach korporacji Merck. Obecnie korzysta z niego kilkanaście głównych korporacji farmaceutycznych i chemicznych na świecie. Jest też dostępny dla niektórych naukowców.

Dokonanie zostało obecnie podsumowane w "Nature" w specjalnym, przyśpieszonym trybie przed oficjalną publikacją: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2855-y. (PAP)

Szymon Zdziebłowski