“Google 化学加强版”:科学家创造化学脑

Chematica(化学脑),一个包含所有已知化学知识的巨大知识库,可利用类似Google使用的算法搜索和分析。西北大学的科学家在同一期《Angewandte Chemie》期刊上连续发表了三篇论文来介绍这一研究成果。领导这项研究的Bartosz A. Grzybowski表示,他意识到将所有化合物及之间反应链接成一个巨大网络,将能创造出一个全新的化学知识平台,他希望Chematica 能像 Mathematica 对计算数学那样对化学产生巨大影响,加速化学合成设计和发现。

下面是原文直译的结果,可能有些地方翻译得不到位,请参看原文。

译文

西北大学的科学家将 250 年来的有机化学知识链接到一个巨大的计算机网络 —— 化学加强版 Google。这个“不朽的化学家”将永远不会退休或带走它的知识,它反而会持续学习、成长与分享。

科学家花了十年时间来编制这套软件,优化了药物分子与其它重要化合物的合成,将冗长(且昂贵)的化合物合成合并成较短且更经济的路径,并且确认了可能成为化学武器的可疑化学配方。

“我领悟到,如果我们能将所有已知的化学化合物及其间的反应链接成一个巨大的网络,不仅能创造出一个新的化学方法储存库,还能够创造出一个全新的知识平台,在此,每一个曾进行过的化学反应以及每一种曾被制造出来的化合物将成为一个集体的(collective)‘化学脑’,” 领导这项研究的 Bartosz A. Grzybowski 表示,“使用与 Google 或电信网络类似的算法来搜索与分析这个化学脑。”

这个网络被称为 Chematica,包含大约700万种化学成份,由相似数量的反应(similar number of reactions)所连接。有一族搜索和分析此网络的算法,让化学家坐在他或她的计算机前就能轻易存取这个浩瀚的化学知识大全(compendium)。且当愈来愈多的资料与算法加入其知识库时,此系统还能从经验中学习。

这套系统的细节和展示被写成三篇连续的论文,发表在八月份第6期的 Angewandte Chemie 期刊中。

Grzybowski 是这三篇论文的主要作者。他是 Weinberg 艺术与科学学院与 McCormick 工程与应用科学学院的 Kenneth Burgess 物理化学暨化学系统工程学教授。

在一篇题为“Parallel Optimization of Synthetic Pathways Within the Network of Organic Chemistry(在有机化学网路中,合成路径的平行优化)”的 Angewandte 论文中,研究者所展示的算法,能寻找最优的药物分子与其它业界重要化学物质的合成方法。

“我们编写算法的方式,允许我们在几分之一秒内搜寻数十亿种化学合成法,得到想要的分子(结构),” Grzybowski 说,“这相当重要,因为就算离想要达成的目标只有几个合成阶段,可能的合成方法都能如天文数字般庞大,而且很明显地,超越任何人类化学家的搜索能力。”

Chematica 能测试与评估每种可能存在的合成方法,而不是只有化学家特别感兴趣的那几种。在这种模式下,算法能找到制造所需化学物质的真正最佳的方法。

该软件已用于工业设置中,Grzybowski 说,为公司产品设计出更经济的合成方法。合成方法能在各种限制条件下被优化,例如:避免让反应涉及对环境有害的化合物。利用 Chematica 软件,这样的“绿化学”优化只要鼠标点一点就可以了。

另一个重要的应用领域是将合成路径缩短成所谓的“一锅(one-pot,译注:pot 在这里应该表示化学反应用的坩埚)”反应。有机化学的伟大成就(holy grails,圣杯)之一便是设计出某些方法,在其中所有的起始物(starting materials )一开始就能够结合,然后整个过程能在一锅内完成 —— 非常类似煮一锅炖肉 —— 一次性成为最终产品。

西北大学的研究者在一篇题为“Rewiring Chemistry: Algorithmic Discovery and Experimental Validation of One-Pot Reactions in the Network of Organic Chemistry(改写化学:在有机化学网络中,以算法探索一锅反应及实验性验证)”的论文中详述了如何能做到一锅式反应。

化学家们教给他们的网络大约 86,000 种化学规则来检查 —— 当然,在几分之一秒内 —— 一系列的个别反应是否能被合并成“一锅”程序。有三十种一锅合成过程的预测经过检验并全部得到验证。每种合成过程的进行都象预期的那样进行,并得到了优秀的结果。

在一个突出的例子中,Grzybowski 及其团队利用一锅法合成出一种抗气喘药。这种药一般需要经过四种连续的化学合成与纯化步骤。

“我们的算法告诉我们这些步骤可以合并成一个步骤,我们自然会很好奇地在一个长颈瓶中检查它,” Grzybowski 说,“我们进行这个一锅反应,并在绝佳产出中获得此药,成本只是多步法的一小部分。”

第三种应用领域是运用 Chematica 网络来预测并监控导致化学武器的合成。这在题为“Chemical Network Algorithms for the Risk Assessment and Management of Chemical Threats(用于化学威胁的风险评估与管理的化学网路算法)”的 Angewandte 论文中有报告。

“既然我们现在有这种独特能力来审查所有可能的合成策略,我们也就能确认那些能被潜在的恐怖份子用来制造神经毒气、爆炸物或其它毒剂的策略,” Grzybowski 说。

博奕论(game theory)中的那些著名算法首先被用来确认那些最难被联邦政府侦测的策略 —— 物质的运用,例如:食盐、净化剂(clarifiers,也可指离心机)、谷物酒精(grain alcohol)和肥料,这些随便都能从本地的便利商店买到。看起来无害的化学物质,如上面举例的物质,其合成物就具有危险特征(red flag)。

这种策略与政府当前用来监控、管理个别物质的方法非常不同,Grzybowski 说。 Chematica 能用来监测那些凑在一起就会变得很可疑的化学物质的模式,而不是监测个别化合物。 Grzybowski 目前正与联邦政府合作来部署这种软件。

Chematica 现在正被商业化。“我们之所以选这个名字,” Grzybowski 说,“是因为网络将以 Mathematica(一种数学软件)在科学运算中所进行的方式来作用于化学。我们的方法将加速化学合成设计与探索,并将大幅优化合成实践。”

via Phys.org

译注:俚语 sth. on steroids(类固醇)意思是更强大的 sth.

相关文献:

Parallel Optimization of Synthetic Pathways within the Network of Organic Chemistry
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201202209/abstract

Dr. Mikolaj Kowalik, Dr. Chris M. Gothard, Aaron M. Drews,
Nosheen A. Gothard, Alex Weckiewicz, Patrick E. Fuller,
Prof. Bartosz A. Grzybowski, Prof. Kyle J. M. Bishop.
Angewandte Chemie International Edition,
Volume 51, Issue 32, pages 7928–7932, August 6, 2012.
doi: 10.1002/anie.201202209

Rewiring Chemistry: Algorithmic Discovery and Experimental Validation of One-Pot Reactions in the Network of Organic Chemistry
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201202155/abstract

Dr. Chris M. Gothard, Dr. Siowling Soh, Nosheen A. Gothard,
Dr. Bartlomiej Kowalczyk, Dr. Yanhu Wei, Dr. Bilge Baytekin,
Prof. Bartosz A. Grzybowski.
Angewandte Chemie International Edition,
Volume 51, Issue 32, pages 7922–7927, August 6, 2012.
doi: 10.1002/anie.201202155

Chemical Network Algorithms for the Risk Assessment and Management of Chemical Threats
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201202210/abstract

Patrick E. Fuller, Dr. Chris M. Gothard, Nosheen A. Gothard,
Alex Weckiewicz, Prof. Bartosz A. Grzybowski.
Angewandte Chemie International Edition,
Volume 51, Issue 32, pages 7933–7937, August 6, 2012.
doi: 10.1002/anie.201202210

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