L’exploration de l’immense espace des molécules et des matériaux à l’aide d’approches basées sur les données a inspiré d’innombrables initiatives académiques et industrielles pour découvrir les relations fondamentales entre les signatures structurelles des molécules et leurs propriétés physicochimiques.
Cet article présente une étude récente qui révèle une « liberté de conception » dans l’espace des composés chimiques, ouvrant la voie à une conception rationnelle de molécules aux propriétés ciblées.
La liberté de conception dans l’espace des composés chimiques
Malgré les progrès significatifs dans ce domaine, une compréhension globale de ces relations complexes était encore insuffisante, en particulier pour les petites molécules, qui sont d’une importance cruciale et d’une grande pertinence dans les sciences chimiques et pharmaceutiques.
Alexandre Tkatchenko, professeur de physique chimique théorique à l’Université du Luxembourg, explique que « démêler les relations complexes entre les structures moléculaires et les propriétés permettrait non seulement de disposer des outils nécessaires pour explorer et caractériser l’espace moléculaire, mais aussi d’améliorer considérablement notre capacité à concevoir rationnellement des molécules aux propriétés physicochimiques ciblées ».
Dans l’article publié dans la revue Chemical Science, l’une des principales découvertes est que la plupart des propriétés quantiques des petites molécules sont faiblement corrélées.
Robert DiStasio Jr., professeur de chimie théorique à l’Université Cornell, affirme que « bien que cette découverte puisse être initialement perçue comme un défi pour la conception moléculaire rationnelle, notre analyse met en évidence une flexibilité intrinsèque – ou ‘liberté de conception’ – qui existe dans l’espace des composés chimiques, où il semble y avoir très peu de limitations empêchant une molécule d’exhiber simultanément n’importe quelle paire de propriétés ou pour de nombreuses molécules partageant un ensemble de propriétés« .
Recherche de voies optimales dans l’espace chimique
Pour explorer comment cette flexibilité intrinsèque se manifeste dans le processus de conception moléculaire, qui implique souvent l’optimisation simultanée de plusieurs propriétés physicochimiques, les auteurs ont utilisé l’optimisation multi-propriétés de Pareto pour rechercher des molécules présentant simultanément une grande polarisabilité moléculaire et un large gap électronique, une tâche de conception pertinente pour identifier de nouvelles molécules pour les batteries polymères.
Les auteurs ont trouvé des chemins à travers l’espace chimique composés de plusieurs molécules inattendues reliées par des changements structurels et/ou compositionnels, reflétant la liberté dans la conception rationnelle et la découverte de molécules aux valeurs de propriétés ciblées.
« Une étape potentiellement intéressante serait d’utiliser ces structures optimales de Pareto en conjonction avec des approches puissantes d’apprentissage automatique pour construire des cadres multi-objectifs fiables pour une navigation systématique d’espaces chimiques encore inexplorés », explique le professeur Tkatchenko.
Implications pour le paradigme de la conception moléculaire
En démontrant que la «liberté de conception» est une propriété fondamentale et émergente de l’espace des composés chimiques, ce travail a plusieurs implications importantes dans les domaines de la conception moléculaire rationnelle et de la découverte de médicaments assistée par ordinateur.
Dr. Leonardo Medrano Sandonas, chercheur postdoctoral dans le groupe de physique chimique théorique à l’Université du Luxembourg, explique que « nous espérons que ce travail incitera la communauté des sciences chimiques à réfléchir à la manière dont cette flexibilité intrinsèque peut être utilisée pour étendre le paradigme dominant dans le processus de conception moléculaire en avant. Nous espérons également que ce travail permettra de réaliser des progrès substantiels vers la résolution du problème inverse de la conception moléculaire, dans lequel on cherche à trouver une molécule (ou un ensemble de molécules) correspondant à un ensemble ciblé de propriétés ».
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La combinaison des connaissances tirées de ce travail avec des approches avancées d’apprentissage automatique pourrait aider à développer des stratégies efficaces pour le criblage à haut débit de nouvelles molécules adaptées à une application spécifique, ce qui est une direction de recherche importante dans le groupe du professeur Tkatchenko.
En synthèse
Cette étude révèle une « liberté de conception » dans l’espace des composés chimiques, offrant la possibilité de concevoir rationnellement des molécules aux propriétés ciblées. Les implications de cette découverte pourraient transformer la manière dont les scientifiques abordent la conception moléculaire et la découverte de médicaments, en exploitant cette flexibilité intrinsèque pour créer des molécules aux propriétés désirées.
Pour une meilleure compréhension
Qu’est-ce que la « liberté de conception » dans l’espace des composés chimiques ?
La «liberté de conception» fait référence à la flexibilité intrinsèque qui existe dans l’espace des composés chimiques, permettant à une molécule d’exhiber simultanément n’importe quelle paire de propriétés ou à de nombreuses molécules de partager un ensemble de propriétés.
Comment cette découverte pourrait-elle influencer la conception moléculaire ?
La découverte de la «liberté de conception» pourrait inciter les scientifiques à repenser la manière dont ils abordent la conception moléculaire, en exploitant cette flexibilité pour créer des molécules aux propriétés ciblées.
Les implications pour la découverte de médicaments assistée par ordinateur
La «liberté de conception» pourrait permettre de réaliser des progrès substantiels dans la résolution du problème inverse de la conception moléculaire, où l’on cherche à trouver une molécule (ou un ensemble de molécules) correspondant à un ensemble ciblé de propriétés.
Comment l’apprentissage automatique pourrait être utilisé avec cette découverte ?
Les approches d’apprentissage automatique pourraient être utilisées en conjonction avec les structures optimales de Pareto pour construire des cadres multi-objectifs fiables permettant une navigation systématique d’espaces chimiques encore inexplorés.
Quel est l’objectif ultime de cette recherche ?
L’objectif ultime de cette recherche est de développer des stratégies efficaces pour le criblage à haut débit de nouvelles molécules adaptées à une application spécifique, en exploitant la «liberté de conception» et les approches avancées d’apprentissage automatique.
Article : « Freedom of design » in chemical compound space: towards rational in silico design of molecules with targeted quantum-mechanical properties – DOI: 10.1039/D3SC03598K
Légende illustration principale : Représentation graphique du processus de conception moléculaire rationnelle, qui implique une recherche « d’aiguille dans une meule de foin » pour des molécules possédant un ensemble de propriétés souhaitées. Crédit : Leonardo Medrano Sandonas de l’Université du Luxembourg ; image de fond par Rawpixel.com sur Freepik
