I ricercatori del Van ‘t Hoff Institute for Molecular Sciences dell’Università di Amsterdam hanno sviluppato un potente approccio di apprendimento automatico per chiarire la configurazione assoluta e il panorama conformazionale di molecole chirali complesse.
Chimica, molecole chirali complesse – impressione artistica. Credito immagine: Terry Vlisidis tramite Unsplash, licenza gratuita
In un recente articolo che compare come illustrazione di copertina in Angewandte Chemie, descrivono come la combinazione di un algoritmo genetico con un algoritmo di clustering gerarchico può prevedere e aumentare le prestazioni delle spettroscopie chirottiche.
La potenza di questo approccio è dimostrata in uno studio insieme a ricercatori del National Institutes of Health (USA) sugli alcaloidi prodotti naturali isolati da spugne marine. Contenendo fino a otto centri chirali, una determinazione inequivocabile della loro stereochimica è la chiave per comprendere i loro percorsi biosintetici.
La nuova cassetta degli attrezzi AI. Credito immagine: LUI / ANIE.
Determinare la precisa struttura spaziale di una molecola chirale, il configurazione assoluta, è tutt’altro che facile. L’approccio comune consiste nell’utilizzare la luce polarizzata circolarmente che di per sé mostra chiralità: la sua polarizzazione circolare può essere sinistra o destra.
Tecniche come il dicroismo circolare elettronico (ECD), il dicroismo circolare vibrazionale (VCD) e la spettroscopia di attività ottica Raman (ROA) applicano tale luce per produrre un’impronta digitale spettroscopica. Questo è unico per ogni molecola e può persino distinguere l’immagine speculare della stessa molecola.
Tuttavia, per derivare una configurazione assoluta da uno spettro registrato, è necessario un confronto con gli spettri simulati.
Quest’ultimo può essere generato ad esempio utilizzando la teoria del funzionale della densità (DFT), ma in particolare per le molecole complesse ciò presenta gravi limitazioni. Per prima cosa, la simulazione può richiedere molto tempo e denaro.
Più importante è che per un tale confronto è necessario prendere una media su tutte le possibili conformazioni che la molecola può adottare.
E qui arriva l’intoppo, perché questa media dipende in modo critico dalle energie di questi conformisti. Poiché esiste un’incertezza intrinseca in queste energie, può esserci una grande variazione negli spettri simulati.
Maggiore è il numero di centri chirali e maggiore è la flessibilità conformazionale, minore è la qualità – se non l’impossibilità – della determinazione stereochimica.
Assegnazione affidabile della configurazione assoluta
Nel loro articolo Angewandte, i ricercatori descrivono come l’uso strategico dell’intelligenza artificiale aiuti a superare questa impasse. Presentano un protocollo elaborato che combina due algoritmi di intelligenza artificiale (AI).
Il primo è un algoritmo genetico che prende esplicitamente in considerazione le incertezze nelle energie calcolate nel confronto tra spettri sperimentali e previsti per aiutare a identificare le conformazioni più rilevanti tra tutte le possibili conformazioni.
Il secondo è un algoritmo di clustering gerarchico che analizza le tendenze negli spettri delle conformazioni considerate. Identifica anche al volo quando una data tecnica chirottica non è in grado di fare previsioni conformazionali affidabili.
Il documento mostra come la nuova “cassetta degli attrezzi AI” porti a assegnazioni affidabili di configurazione assoluta e fornisce informazioni sulle eterogeneità conformazionali, anche per molecole difficili che sono flessibili e presentano un gran numero di centri chirali.
Secondo i ricercatori, il loro approccio è abbastanza generale e applicabile all’analisi di Qualunque tipo di spettri molecolari. Si aspettano che il loro approccio migliori l’analisi degli spettri di sistemi complessi in generale.
Un caso rilevante
Come caso di studio i ricercatori hanno applicato il loro protocollo a due prodotti naturali isolati dalla spugna marina Haliclona.
I composti papuamina E aliclonadiammina si verificano sempre insieme nelle spugne e la determinazione della loro configurazione assoluta è la chiave per stabilire il loro esatto percorso biosintetico.
Entrambe le molecole sono molto flessibili, hanno strutture molto simili e condividono otto centri chirali.
Una precedente ricerca del Laboratorio di Chimica Bioorganica presso il National Institutes of Health (Bethesda, USA) ha dimostrato che è molto difficile determinare in modo inequivocabile la loro configurazione con gli approcci attuali.
Papuamine e haliclonadiamine erano quindi gli esempi ideali per illustrare la debolezza del protocollo standard e l’efficacia di quello appena proposto, consentendo assegnazioni altamente affidabili delle loro configurazioni assolute.
Fonte: Università di Amsterdam
Da un’altra testata giornalistica. news de www.technology.org
