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Science子刊: 量子化學(xué)計(jì)算+機(jī)器學(xué)習(xí)從頭創(chuàng)建肉眼可檢測(cè)的熒光分子

設(shè)計(jì)熒光分子需要考慮多種相互關(guān)聯(lián)的分子特性，而不是與分子結(jié)構(gòu)直接相關(guān)的特性，例如分子的光吸收。盡管熒光分子的研究歷史悠久，但一直沒有明確的指導(dǎo)方針來(lái)制備熒光分子。

在此，日本理化學(xué)研究所（RIKEN）先進(jìn)智能研究中心Masato Sumita, Koji Tsuda等人使用從頭分子生成器（DNMG，稱為ChemTS）與量子化學(xué)計(jì)算（QC）相結(jié)合來(lái)開發(fā)目前無(wú)法輕易預(yù)測(cè)特性的熒光分子，這些分子在各個(gè)學(xué)科中都引起了廣泛關(guān)注。盡管熒光分子具有簡(jiǎn)單的勢(shì)能面（PES），但很難從第一性原理設(shè)計(jì)，因?yàn)槠涠鄻有允沟脽晒馀c分子結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)變得非常困難。

然而，生成器克服了這種多樣性并成功地從頭開始設(shè)計(jì)了熒光分子，基于QC的從頭計(jì)算需要大量并行計(jì)算（1024核，5天），最后成功地產(chǎn)生了3643個(gè)候選分子。生成器產(chǎn)生吸收長(zhǎng)波長(zhǎng)光的分子以控制分子的共軛長(zhǎng)度，然而無(wú)法找到分子的熒光波長(zhǎng)/強(qiáng)度與共軛長(zhǎng)度/芳環(huán)數(shù)之間的明確相關(guān)性，這表明從頭設(shè)計(jì)熒光分子的困難性。

圖1. 使用ChemTS設(shè)計(jì)的未報(bào)道的熒光分子

作者根據(jù)可合成性和可見熒光標(biāo)準(zhǔn)選擇了7種已知化合物進(jìn)行驗(yàn)證和1種候選化合物進(jìn)行進(jìn)一步研究。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明，DNMG成功設(shè)計(jì)了75%（八分之六）的熒光化合物，新合成PC分子的熒光特性（肉眼可見）證明了DNMG 的創(chuàng)新潛力。在設(shè)計(jì)PC時(shí)，在香豆素中引入了一個(gè)不熟悉的基團(tuán)吡唑并嘧啶，這種連接引起了高空間排斥，但仍導(dǎo)致振蕩器強(qiáng)度（OS）增加。

普通化學(xué)家很難想出一種通過(guò)增加片段之間的空間排斥來(lái)增強(qiáng)熒光及其強(qiáng)度的方法，這說(shuō)明該生成器有可能引發(fā)分子設(shè)計(jì)的范式轉(zhuǎn)變。此外，具有大規(guī)模并行計(jì)算的生成器將能夠創(chuàng)建具有多種和有趣功能的復(fù)雜分子，可能導(dǎo)致非常復(fù)雜的合成路線，這將增加最近開發(fā)的基于ML的逆合成路線規(guī)劃的要求。

作者對(duì)熒光數(shù)字化機(jī)制和并行化DNMG的實(shí)現(xiàn)可在下方地址獲得：

https://github.com/tsudalab/GaussianRunPack

https://github.com/tsudalab/FL_ChemTS

圖2. 未報(bào)道過(guò)的PC分子的光化學(xué)性質(zhì)

De novo creation of a naked eye–detectable fluorescent molecule based on quantum chemical computation and machine learning, Science Advances 2022. DOI: 10.1126/sciadv.abj3906

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