En utilisant une approche basée sur les données, les chercheurs ont découvert une « liberté de conception » dans les structures moléculaires qui résulte de faibles corrélations dans les propriétés mécaniques quantiques. Cette découverte, combinée à l’apprentissage automatique, pourrait révolutionner la conception moléculaire et la découverte de médicaments.
Description graphique du processus de conception moléculaire rationnelle, qui implique une recherche « une aiguille dans une botte de foin » de molécules possédant les propriétés souhaitées. Crédit image : Leonardo Medrano Sandonas, Université du Luxembourg ; image d'arrière-plan fournie par rawpixel.com sur Freepik
L’utilisation de méthodes basées sur les données pour explorer le vaste espace des molécules et des matériaux a inspiré d’innombrables communautés universitaires et industrielles à rechercher les relations fondamentales qui existent entre les caractéristiques structurelles moléculaires et leurs propriétés physicochimiques. Bien que des progrès significatifs aient été réalisés dans ce domaine, une compréhension globale de ces relations complexes fait encore défaut, même dans le domaine plus gérable de la chimie et des substances chimiques, les petites molécules, malgré l'importance critique et la grande pertinence de ces molécules dans l'ensemble des sciences chimiques et pharmaceutiques.
Alexandre Tkatchenko, professeur de physique chimique théorique au Département de physique et de science des matériaux de l'Université du Luxembourg, a déclaré : « Révéler la relation complexe entre la structure moléculaire et les propriétés nous fournira non seulement les outils nécessaires pour explorer et caractériser l'espace moléculaire, mais améliorera également considérablement notre capacité à concevoir rationnellement des molécules dotées d'une gamme de propriétés physicochimiques ciblées. »
Une faible corrélation apporte une « liberté de conception »
Dans un article intitulé « La liberté de conception » dans l'espace des composés chimiques : vers une conception rationnelle in silico de molécules avec des propriétés mécaniques quantiques ciblées » publié dans la prestigieuse revue Chemical Science, une découverte importante est que la plupart des propriétés mécaniques quantiques des petites molécules ne sont que faiblement corrélées.
Robert Di Stasio Jr., professeur de chimie théorique à l'Université Cornell, a déclaré : « Même si l'on pourrait initialement considérer cette découverte comme un défi pour la conception moléculaire rationnelle, notre analyse met en évidence la flexibilité inhérente du CCS, dans lequel il semble y avoir peu de contraintes qui empêchent une molécule de présenter une paire de propriétés en même temps, ou qui empêchent de nombreuses molécules de partager une gamme de propriétés. »
Trouver le meilleur chemin dans l'espace chimique
Le processus de conception moléculaire implique généralement l’optimisation simultanée de plusieurs propriétés physico-chimiques. Pour explorer comment cette flexibilité inhérente se reflétera dans le processus de conception moléculaire, les auteurs ont utilisé la méthode d'optimisation multi-propriétés de Pareto pour trouver des molécules présentant à la fois une polarité macromoléculaire et un espace électronique. Il s'agit d'une tâche de conception liée à l'identification de nouvelles molécules pour les batteries polymères. Les auteurs ont découvert plusieurs voies inattendues à travers l’espace chimique reliant les molécules à travers des changements structurels et/ou de composition, reflétant la liberté de concevoir et de découvrir rationnellement des molécules avec des valeurs de propriétés ciblées.
Le professeur Tkatchenko explique : « Une prochaine étape potentiellement intéressante serait de combiner ces structures Pareto-optimales avec de puissantes méthodes d’apprentissage automatique pour établir un cadre multi-objectif fiable pour la navigation systématique dans un espace chimique jusqu’ici inexploré. »
Impact sur les paradigmes de conception moléculaire
"En démontrant que la" liberté de conception "est une propriété fondamentale et émergente du CSC, nos travaux ont une série d'implications importantes pour les domaines de la conception moléculaire rationnelle et de la découverte informatique de médicaments. Premièrement, nous espérons que ces travaux mettront au défi la communauté scientifique chimique d'envisager comment cette flexibilité inhérente peut être exploitée pour étendre le paradigme dominant dans les processus de conception moléculaire avancés." Chimie théorique, Université du Luxembourg "Nous espérons également que ces travaux permettront de réaliser des progrès substantiels dans la résolution de problèmes de conception moléculaire inverse, dans lesquels on essaie de trouver une molécule (ou un ensemble de molécules) qui correspond à un ensemble de propriétés cibles", explique le Dr Leonardo Medrano Sandonas, chercheur postdoctoral au sein du groupe de physique.
La combinaison des connaissances acquises grâce à ces travaux avec des méthodes avancées d'apprentissage automatique aidera à développer des stratégies efficaces de criblage à haut débit de nouvelles molécules pour des applications spécifiques, une direction de recherche importante du groupe de recherche du professeur Tekatchenko.