גילוי סמים דומה מאוד לעבוד בפאזל. התרכובות הכימיות מאחורי מולקולות התרופה חייבות להיות מעוצבות כך שיתאימו לחלבונים בגופנו כדי לייצר השפעות טיפוליות. דרישה זו להתאמה מדוקדקת פירושה שיצירת תרופות חדשות היא מורכבת ביותר וגוזלת זמן.
כדי להאיץ את תהליך התאמת הפאזל, חוקרים ב-SMU יצרו את SmartCADD. כלי וירטואלי בקוד פתוח זה משלב בינה מלאכותית, מכניקת קוונטים וטכניקות תכנון תרופתי בעזרת מחשב (CADD) כדי להאיץ את ההקרנה של תרכובות כימיות, ולהפחית משמעותית את לוחות הזמנים של גילוי תרופות. במחקר שפורסם לאחרונה ב- Journal of Chemical Information and Modelingחוקרים הדגימו את היכולת של SmartCADD לזהות מועמדים מבטיחים לתרופות HIV.
הכלי החדש הזה צמח משיתוף פעולה בין-תחומי בין המחלקה לכימיה של SMU במכללת דדמן למדעי הרוח והמדעים והמחלקה למדעי המחשב בבית הספר להנדסה לייל.
יש דחיפות לגלות סוגים חדשים של תרופות כמו אנטיביוטיקה, טיפולי סרטן, אנטי-ויראלים ועוד. למרות האימוץ המהיר של בינה מלאכותית בתחומים רבים, נוצרה היסוס להשתמש בה במחקר מדעי, בעיקר בגלל האטימות שלה ואיכות הנתונים המשמשים להדרכה. SmartCADD נותן מענה לחששות הללו ויכול לנפות מיליארדי תרכובות כימיות ביום אחד, מה שמפחית משמעותית את הזמן הדרוש לזיהוי מועמדים לתרופות מבטיחות".
אלפי קראקה, ראש קבוצת כימיה חישובית ותיאורטית (CATCO) ב-SMU
איך SmartCADD עובד
SmartCADD משלב מודלים של למידה עמוקה, תהליכי סינון ובינה מלאכותית ניתנת להסבר כדי לסנן מסדי נתונים של תרכובות כימיות המשמשות לאיתור לידים לתרופות. לכלי שני מרכיבים עיקריים: ממשק ה-Pipeline של SmartCADD, שאוסף נתונים ומפעיל פילטרים, וממשק ה-Filter שלו, שאומר למערכת כיצד כל מסנן צריך לעבוד. מסננים מובנים אלה מסייעים בשלבים שונים של בדיקת תרכובות כימיות. הם יכולים לעזור לחזות כיצד תרופה תתנהג בגוף, לדגמן כיצד ייראו מבני התרופה באמצעות פרמטרים דו-ממדיים ותלת-ממדיים ולהשתמש במודל AI המסביר את החלטותיה.
חוקרים הדגימו את פלטפורמת SmartCADD באמצעות שלושה מקרים שונים של תרופות המשמשות לטיפול ב-HIV, ומצאו כי מספר חלבונים קיימים בתוך הנגיף נחשבים למטרות מבטיחות. SmartCADD השתמשה בנתונים מספריית MoleculeNet כדי ליצור ולחפש במסד נתונים של 800 מיליון תרכובות כימיות וקבעה ש-10 מיליון עשויים לעבוד כתרופות ל-HIV. לאחר מכן, הוא השתמש במסננים כדי למצוא תרכובות שהתואמות בצורה הטובה ביותר לתרופות שכבר אושרו ל-HIV.
בעוד החוקרים התמקדו במטרות HIV עבור המחקר, הם הדגישו ש-SmartCADD הוא רב-תכליתי וניתן ליישם אותו בצינורות גילוי תרופות אחרים.
"זוהי פלטפורמת סינון וירטואלית ידידותית למשתמש המספקת לחוקרים מסגרת משולבת וגמישה ביותר לבניית צינורות לגילוי תרופות", אמר קורי קלארק, עוזר פרופסור למדעי המחשב בבית הספר להנדסה לייל וסגן מנהל המחקר ב-SMU Guildhall. . "אנחנו הולכים להמשיך לדחוף את העבודה קדימה כדי להרחיב את יכולות הכימיה ולמידת מכונה עוד יותר. הפרויקט וההזדמנויות שלו באמת מרגשים, ואני יודע שהשלב הבא יהיה צעד גדול עוד יותר קדימה מהקודם".
שיתוף הפעולה איפשר את SmartCADD
המאמר גם מדגיש את החוזק של שיתוף פעולה בין-תחומי ב-SMU. בנוסף לקראקה וקלארק, המחברים כוללים את עמית המחקר בתר-דוקטורט לכימיה Ayesh Madushanka, שעבודתו נתמכת על ידי מענק מ-O'Donnell Data Science & Research Computing Institute, וסטודנט לתואר שני במדעי המחשב אלי Laird, דוקטורט במכון O'Donnell. ד. מקבל המלגה.
"תחומים כמו גילוי תרופות דורשים מאמץ משולב כדי להצליח באמת", אמר מדושנקה. "אני בטוח שאם רק המחלקה לכימיה הייתה עובדת על זה, התוצר הסופי לא היה יוצא אותו הדבר. שיתוף פעולה בין-תחומי מביא נקודות מבט חדשות על אותו רעיון, ועוזר לחדד ולשפר אותו".
מוסיף לירד, "מחקר בין-תחומי הוא הכרחי לחלוטין כדי לבצע התקדמות מחקרית גדולה שמשפיעה למעשה על העולם האמיתי. זהו מוקד מרכזי של SMU וסיבה מרכזית שרציתי להמשיך את הדוקטורט שלי כאן. מחקר משפיע לא יכול לקרות ב הוואקום של תחום בודד אתה צריך להסתכל בצורה רחבה על פני דיסציפלינות כדי לעורר רעיונות שיהפכו לחידושים אמיתיים לעתים קרובות מתרחשות בהצטלבות של תחומים שונים, ולשם אני שואף למקם את המחקר שלי.
המימון למחקר ניתן על ידי הקרן הלאומית למדע, מענק CHE 2102461. כל דעות, ממצאים ומסקנות או המלצות המובעות בחומר זה הן אלה של המחברים ואינן משקפות בהכרח את דעות הקרן הלאומית למדע.
