Получение химических веществ с заданными свойствами на основе компьютерного моделирования атомно-молекулярных систем становится реальностью в Международной лаборатории многомасштабного моделирования полифункциональных соединений Южно-Уральского государственного университета. Это позволит синтезировать новые материалы, лекарственные средства, а также понять принципы биохимических реакций на молекулярном уровне.
Новые алгоритмы компьютерного моделирования структуры веществ
Ph.D., профессор Университета Центральной Флориды (США) Артём Масунов и доктор химических наук, профессор Екатерина Барташевич руководят работой лаборатории с 2016 года.
Ученые Института естественных и точных наук работают над исследованиями на стыке химии, хемоинформатики и компьютерного дизайна физико-химических свойств материалов. Физико-химические свойства веществ можно не только прогнозировать, но и добиваться их направленных изменений, опираясь на рациональный дизайн структуры атомно-молекулярных систем. Это важно для получения новых химических соединений, которые можно будет использовать в промышленности, в высоких технологиях и медицине, существенно сократив время экспериментального поиска в химических лабораториях. Приоритетной задачей лаборатории является разработка алгоритмов и подходов к компьютерному моделированию структуры и свойств органических и гибридных материалов.
«Мы стремимся использовать в химии такие цифровые технологии, как машинное обучение, искусственный интеллект, эволюционные алгоритмы. Все эти инструменты становятся традиционным набором современного химика и прочно входят в наши профессиональные будни. При этом в лаборатории решаются самые разнообразные практические задачи, связанные с улучшением полезных свойств материалов», – поясняет Екатерина Барташевич.
Лаборатория активно развивает международное сотрудничество. В результате совместной работы с Perelman School of Medicine, University of Pennsylvania была разработана методика вычислительного предсказания поглощения света порфириновыми соединениями. Порфирины – это природные вещества, которые участвуют в таких процессах, как фотосинтез, перенос кислорода, транспорт электронов. Уникальность этих веществ в том, что они позволяют вводить в их состав различные заместители, что дает возможность изменить свойства материалов.
Целью этого совместного исследования было создание новых хромофоров (сопряженных цепочек из ненасыщенных групп атомов, обусловливающих цвет вещества) для трёхмерного моделирования содержания кислорода в процессе жизнедеятельности тканей мозга.
Фото: Екатерина Барташевич
Сотрудничество с РАН
Международная лаборатория многомасштабного моделирования полифункциональных соединений тесно сотрудничает с Институтом органического синтеза УрО РАН, г. Екатеринбург. Ученые исследуют свойства молекул-индукторов, без которых был бы невозможен асимметрический синтез лекарств.
Сотрудники лаборатории занимаются расчетами спектральных и оптических свойств молекулярных кристаллов, анализом упругих свойств и поиском новых механохромных соединений, способных менять свой цвет в зависимости от физической нагрузки, используют основы хемоинформатики для поиска направленных модификаций фотокатализаторов на основе нитрида углерода.
Новые научные направления
Активно развивается новое направление для лаборатории – компьютерный дизайн оптических материалов.
«Новая тема, которая заинтересовала нас год назад, была связана с механическими свойствами молекулярных кристаллов: наши усилия были ориентированы на поиск гибких и пластичных монокристаллов, лишенных хрупкости. Был наработан солидный задел, позволивший нам выиграть грант РФФИ. Идентификация потенциально гибких монокристаллов становится возможной благодаря разрабатываемой в нашем коллективе новой вычислительной методике», – говорит Екатерина Барташевич.
По результатам проведенных в лаборатории исследований публикуются статьи в высокорейтинговых научных журналах по направлению материаловедение. Например, выходит статья в журнале Crystal Growth & Design (Q1) “Virtual Tensile Test for Brittle, Plastic, and Elastic Polymorphs of 4-Bromophenyl 4-Bromobenzoate".
Недавно была принята к публикации статья в журнале Scientific Reports, 2020 (Top 10%). Работа посвящена идентификации лекарственных препаратов с помощью инфракрасных спектров методами машинного обучения “High Accuracy Machine Learning Identification of Fentanyl-Relevant Molecular Compound Classification via Constituent Functional Group Analysis”. В этой публикации описано применение методов машинного обучения для выявления функциональных групп в органических соединениях на основе их инфракрасных спектров. Средняя точность правильного определения функциональных групп составляет 92,5%. Результаты этой работы обеспечат искусственный интеллект инструментами и алгоритмами повышенной достоверности для обнаружения искомых молекул.
Лаборатория планирует развивать международное сотрудничество с ведущими образовательными центрами и институтами Российской академии наук.
Южно-Уральский государственный университет – это университет цифровых трансформаций, где ведутся инновационные исследования по большинству приоритетных направлений развития науки и техники. В соответствии со стратегий научно-технологического развития РФ университет сфокусирован на развитии крупных научных междисциплинарных проектов в области цифровой индустрии, химии и материаловедения.