Mit Hilfe von künstlicher Intelligenz und einer gehörigen Portion menschlichen Fingerspitzengefühls hat das Labor von Tim Cernak an der University of Michigan eine Entdeckung gemacht, die den zeitaufwändigen chemischen Prozess des Aufbaus von Molekülen, die die Medikamente, Agrarchemikalien oder Materialien von morgen sein werden, drastisch beschleunigt. Die Entdeckung, die in der Ausgabe vom 3. Februar in Science veröffentlicht wurde, ist das Ergebnis jahrelanger chemischer Synthese- und Datenforschungsarbeiten des Cernak-Labors an der Hochschule für Pharmazie und der Fakultät für Chemie.
Ziel der Forschung war es, die Schlüsselreaktionen bei der Synthese eines Moleküls zu identifizieren und den Prozess schliesslich auf so wenige Schritte wie möglich zu reduzieren. Schliesslich gelang es Cernak und seinem Team, ein komplexes, in der Natur vorkommendes Alkaloid in nur drei Schritten zu synthetisieren. Frühere Synthesen benötigten zwischen sieben und 26 Schritte. "Die Herstellung einer chemischen Struktur, bei der sich die Atome genau an der richtigen Stelle befinden, um beispielsweise wirksame und ungiftige Arzneimittel zu erhalten, ist schwierig", so Cernak, Assistenzprofessor für medizinische Chemie und Chemie. "Es erfordert eine chemische Synthesestrategie, die auf den chemischen Bausteinen beruht, die man kaufen und dann durch chemische Reaktionen zusammensetzen kann."
Diese Errungenschaft hat erhebliche Auswirkungen auf die Beschleunigung der Entwicklung von Arzneimitteln. Cernak verglich die Konstruktion dieser komplexen Moleküle mit einem Schachspiel. Man muss eine Reihe von Zügen orchestrieren, um zum Ende des Spiels zu gelangen. Es gibt zwar eine fast unendliche Anzahl möglicher Züge, aber es gibt eine Logik, der man folgen kann. "Wir haben hier eine Logik entwickelt, die auf der Graphentheorie basiert, um so schnell wie möglich zum Ziel zu kommen", sagte er.
Cernak und seine Kollegen verwendeten die SYNTHIA Retrosynthese-Software, die Wissenschaftlern eine Datenbank mit Pfaden oder Schritten und Formeln für Millionen von Molekülstrukturen zur Verfügung stellt. Dies gab dem Team eine enorme Menge an Daten für die rechnerische Synthese, mit denen es spielen konnte. Mithilfe eines Algorithmus, den sie zur Aufbereitung der Daten entwickelt hatten, identifizierten die Forscher die Schritte entlang des Syntheseweges, die besonders wichtig waren, und die Schritte, die zwar Fortschritte bei der Fertigstellung der Synthese machten, aber letztlich für den gesamten Prozess ineffizient waren. "Wir hoffen, dass diese Forschung zu besseren Medikamenten führen kann", sagte Cernak. "Bislang sind wir bei den Molekülstrukturen, auf die wir mit chemischer Synthese schnell zugreifen können, eingeschränkt."
Literatur
Yingfu Lin et al.; Computer-aided key step generation in alkaloid total synthesis; Science; 2 Feb 2023; Vol 379, Issue 6631; pp. 453-457