Molti farmaci oggi sono prodotti come solidi in polvere. Ma per comprendere appieno come si comporteranno i principi attivi una volta all'interno del corpo, gli scienziati devono conoscere la loro esatta struttura a livello atomico. Ad esempio, il modo in cui le molecole sono disposte all'interno di un cristallo ha un impatto diretto sulle proprietà di un composto, come la sua solubilità. I ricercatori stanno quindi lavorando duramente per sviluppare tecnologie in grado di identificare facilmente le esatte strutture cristalline delle polveri microcristalline.

Un team di scienziati dell'EPFL ha ora scritto un programma di apprendimento automatico in grado di prevedere, a tempo di record, come gli atomi risponderanno a un campo magnetico applicato. Questo può essere combinato con la spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR) per determinare l'esatta posizione degli atomi nei composti organici complessi. Questo può essere di enorme beneficio per le aziende farmaceutiche, che devono monitorare attentamente le strutture delle loro molecole per soddisfare i requisiti per la sicurezza del paziente. La loro ricerca è stata pubblicata in Comunicazioni sulla natura .

Velocità incredibili con l'IA

La spettroscopia NMR è un metodo ben noto e altamente efficiente per sondare i campi magnetici tra gli atomi e determinare come gli atomi vicini interagiscono tra loro. Però, la determinazione completa della struttura cristallina mediante spettroscopia NMR richiede un'operazione estremamente complicata, calcoli dispendiosi in termini di tempo che coinvolgono la chimica quantistica - quasi impossibile per molecole con strutture molto intricate.

Ma il programma sviluppato all'EPFL può superare questi ostacoli. Gli scienziati hanno addestrato il loro modello di intelligenza artificiale su strutture molecolari prese da database strutturali. "Anche per molecole relativamente semplici, questo modello è quasi 10, 000 volte più veloce dei metodi esistenti, e il vantaggio cresce enormemente quando si considerano composti più complessi, "dice Michele Ceriotti, capo del Laboratorio di Scienze e Modellistica Computazionale presso la Scuola di Ingegneria dell'EPFL e coautore dello studio. "Per prevedere la firma NMR di un cristallo con quasi 1, 600 atomi, la nostra tecnica – ShiftML – richiede circa sei minuti; la stessa impresa avrebbe richiesto 16 anni con le tecniche convenzionali."

Questo nuovo programma consentirà di utilizzare approcci completamente diversi che saranno più veloci e consentiranno l'accesso a molecole più grandi. "Questo è davvero eccitante perché la massiccia accelerazione dei tempi di calcolo ci consentirà di coprire spazi conformazionali molto più grandi e determinare correttamente strutture dove prima non era possibile. Questo mette a portata di mano la maggior parte delle complesse molecole di farmaci contemporanei, "dice Lyndon Emsley, capo del Laboratorio di Risonanza Magnetica presso la Scuola di Scienze di Base dell'EPFL e coautore dello studio.

Il programma è ora disponibile gratuitamente online. "Chiunque può caricare una molecola e ottenere la sua firma NMR in pochi minuti, "dice Ceriotti.