Задачи и решения
Главная » Новости » Искусственный интеллект - биологическая защита человечества

Искусственный интеллект - биологическая защита человечества

31.03.2020

Пандемия COVID-19 демонстрирует уязвимость современного общества перед угрозой распространения инфекционных заболеваний, вызванных мельчайшими биологическими агентами, вирусами. Только специальные органические вещества, которые на молекулярном уровне нарушают их жизненный цикл, могут эффективно встать на биологическую защиту граждан. Естественная или специальная мутация требует создания непрерывного конвейера по разработке и синтезу новых лекарственных препаратов.


Первые успехи в этом направлении с использованием технологии искусственного интеллекта продемонстрировали США на примере создания нового антибиотика, не отстают также Великобритания и Япония, которые разработали новый препарат для лечения обсессивно-компульсивного расстройства (ОКР).

Использование технологии ИИ позволяет анализировать одновременно разнородные данные и адаптировать решения с учетом текущего развития ситуации. Непрерывный цикл разработки включает в себя изобретение формулы нового препарата, его синтез и последующее биологическое тестирование (рис. 1). Результаты тестирования должны сразу же учитываться на следующей итерации.

Рис. 1. Схематическое изображение текущего процесса разработки лекарственного препарата. Этапы, заключенные в красной рамке, в ближайшем будущем будут полностью автоматизированы с использованием технологии ИИ.

Рис. 1. Схематическое изображение текущего процесса разработки лекарственного препарата. Этапы, заключенные в красной рамке, в ближайшем будущем будут полностью автоматизированы с использованием технологии ИИ.

 

На примере поиска новых ингибиторов протеазы COVID-19, представленной на сайте http://covid19.ochem.eu/ (рис. 2), можно понять как работает ИИ, изобретая каждую минуту новые структуры. 

Рис. 2. Сайт http://covid19.ochem.eu - рабочий прототип предлагаемого решения, оптимизированный для поиска новых соединений для лечения COVID-19. Система генерирует новые ингибиторы протеазы вируса в виде SMILES строк, которые однозначно описывают формулу химического соединения. Новые ингибиторы обладают также приемлемыми параметрами по ADMET свойствам.

 

Рекуррентные нейронные сети могут научиться рисовать картины, сочинять музыку или общаться с внешним миром на языке химических формул. Сначала модель учится и изучает правила по многочисленным примерам. В конце обучения она превосходно рисует новые формулы, еще не синтезированных и не запатентованных соединений. В случае с ингибиторами протеазы были использованы ингибиторы структурно похожей протеазы ВИЧ, которых известно более 1000. Дообучившись на этих примерах ИИ изобретает новые молекулы, потенциально активные против COVID-19 (рис. 2). Конечно, часть генерируемых структур не удовлетворят требованиям по энергетике связывания с белком или по физико-химическим параметрам. Однако те, которые проходят эти фильтры имеют высокий шанс стать новыми лекарствами.

В процессе своей работы ИИ дистиллирует знание, необходимое для создания эффективного лекарства, используя на каждой итерации обучения результаты своей работы, прошедшие теоретические и экспериментальные испытания. Новые соединения по воле случая уже могли быть ранее синтезированы и описаны в крупнейших базах данных таких как ZINC, ENAMINE и ChEMBL. Тогда их можно оперативно приобрести и протестировать на биологических системах. Такие тесты автоматизированы и могут выполняться без участия человека.

 

Перспективы использования и развития ИИ

Автоматизация научно-исследовательского этапа с ИИ:

Оперативный поиск, генерация и анализ соединений, потенциально активных по отношению к агенту. На промо-сайте http://covid19.ochem.eu/ представлены примеры структур, допустимых к синтезу, с подходящим набором физико-химических свойств: оценка связывающей способности (molecular docking), IC50 (концентрация вещества необходимая для ингибирования 50% биологического процесса), LogS (логарифм молярной растворимости), in-vivo токсичность. На данный момент ИИ сгенерировано уже более 4933 структур ингибиторов протеазы COVID-19 (генерация и формирование рекомендованных соединений в режиме реального времени), из которых лишь 14 найдены в крупнейших базах данных ZINC, ENAMINE и ChEMB.

Все новые сгенерированные структуры могут быть синтезированы и, по результатам проведения экспериментального этапа, запатентованы. ИИ автоматизирует один из самых непростых этапов поиска и анализа эффективных соединений, активных по отношению к любому агенту (белку-мишени), включая онкологические, генетические, инфекционные и хронические заболевания.

Автоматизация научно-исследовательского, производственного и экспериментального этапов с использованием технологии ИИ:

  • Автоматизация поиска и анализа предполагаемых структур;

  • Автоматизация поиска и формирования набора веществ, необходимых для синтеза потенциального соединения;

  • Автоматизация формирования задания роботизированной лаборатории для синтеза найденной структуры;

  • Автоматизация обработки результатов экспериментального этапа для проведения полного цикла с другим потенциальным соединением.

Для полностью автоматической системы по разработке лекарств не достает одного блока по органическом синтезу – то есть из каких исходных веществ и с помощью каких химических реакций можно синтезировать данное соединение. В настоящее время его план разрабатывается и имплементируется химиками, исходя из их опыта и знания. Одна из наших последних работ демонстрирует возможность применения ИИ к планированию синтеза. Подключенный к роботизированной лаборатории ИИ позволит эффективно синтезировать микроколичества веществ, снижая негативные последствия синтеза для окружающей среды и человека. В ближайшем будущем блоки по изобретению новых химических соединений будут сопряжены с блоками по синтезу и роботизированному тестированию. Такой ИИ сможет непрерывно создавать новые лекарства, не только улучшая здоровье людей, но и защищая их от возможных угроз.

Области применения:

  • научно-исследовательские и экспериментальные лаборатории;

  • компании, специализирующиеся на тонком органическом синтезе;

  • фармацевтические компании (автоматизация непрерывного научно-теоретического этапа поиска и анализа потенциально активных соединений с увеличением количества и качества синтезируемых структур для борьбы с существующими и новыми биологическими мишенями).

Результаты применения:

  • Скорость поиска и анализа подходящих соединений, активных по отношению к цели: в настоящее время поиск и анализ ОДНОГО соединения производится в ручном режиме длительностью до 2-3 лет. ИИ по результатам настройки предлагает тысячи вариантов структур за несколько дней работы (зависит от используемых мощностей), - что является преимуществом человечества в борьбе с такими врагами как COVID-19 в настоящее время;

  • Борьба с существующими биологическими угрозами. Изменение фокуса в поиске решений в борьбе со множеством "неизлечимых" заболеваний, известных современности, с точечных вариантов, зависящих от "человеческого фактора", на непрерывный массовый конвейер решений на основе технологии ИИ;

  • Автоматизация полного цикла разработки лекарственных препаратов в рамках научно-исследовательского, производственного и экспериментального этапов с использованием технологии ИИ.

Мы открыты к имплементации данного решения на территории Российской Федерации, что поднимет на новый уровень как научно-исследовательскую составляющую в поиске новых лекарственных препаратов, так и автоматизирует основные производственные этапы разработки.

 

Контактные данные:

Райман Р.А.: ruslan.raiman@rulis.ru

 

SSL Certificates