AI炼金术刷新化教：MIT教者操做天去世式AI，六秒天去世新化教反映反映

发布时间：2024-11-07 10:56:23 来源： 作者：

从“等价交流”的炼金旷古炼金术匹里劈头，化教一背是术刷世式一门体味战克制物量间相互熏染感动的教科。人们经由不竭解锁战操做新的新化新化化教反映反映，研收回了一系列新质料。教M教者教反正在为人们糊心提供利便的天去同时也提降了能量操做效力，增长可延绝去世少。秒天一个基元化教反映反映由反映反映物，去世过渡态（TS），映反映天去世物三者组成。炼金过渡态是术刷世式化教中至关尾要的3D挨算，被普遍用于清晰化教反映反映机制、新化新化估算反映反映能垒战探供重小大的教M教者教反反映反映汇散。可是天去，由于其正在反映反映历程中存正在的秒天时候极短（飞秒量级），魔难魔难中多少远不成能分足战表征过渡态。去世

老例情景下，人们操做量子化教的合计格式，经由历程多少回供解薛定谔圆程，以确定已经知反映反映物战天去世物之间的过渡态。 可是，那类合计格式较为崇下，并以每一每一掉踪败而“污名昭着”。同时，该格式受限于个人的履历直觉战合计所需的老本，每一个人所能探供的化教反映反映也是规模的。那类限度正在钻研已经知的重大反映反映时特意“致命”。它会使钻研者轻忽一些潜在可能产去世的反映反映，导致会反映反映机理的误判，进而影响催化质料设念的思绪。

针对于那一问题下场麻省理工教院（MIT）的一组钻研职员斥天出了一种基于机械进建的交流格式，可能约莫正在多少秒钟内收现那些挨算。他们的新模子可能辅助化教家探供战设念新的反映反映战催化剂，从而天去世下附减值的实用产物，好比燃料化开物或者药物。此外，该模子借可能约莫模拟做作产去世的化教反映反映，如那些拷打早期天球上去世命演化的闭头反映反映。 「过渡态做为设念催化剂或者体味做作系统若何真止某些转化的动身面，知讲其详细挨算颇为尾要」MIT化教工程战化教教授Heather Kulik讲讲。

相闭钻研工做以“Accurate transition state generation with an object-aware equivariant elementary reaction diffusion model”为题宣告正在国内顶级期刊Nature Computational Science上，其中麻省理工教院的段辰儒专士是第一减通讯做者 [https://rdcu.be/dtGSF]。此外，康奈我小大教专士去世杜沅岂，麻省理工教院专士去世贾皓钧战麻省理工教院Heather Kulik教授为该论文的配开做者。

1.实际易面

现阶段，化教家可操做一种基于稀度泛函实际的量子化教合计格式去合计过渡态。可是，那类格式需供小大量的合计老本，需供数小时导致数先天气实现一个过渡态的合计。为体味决合计时候暂的问题下场，一些钻研职员正在远期匹里劈头魔难魔难操做机械进建模子去收现过渡态挨算。可是，迄古为止多少远残缺斥天的模子皆要供将两个反映反映物建模为一个总体，而反映反映物之间相对于相互则贯勾通接特定的多少多构型（conformation）。任何其余可能的构型皆市被机械进建模子误感应成一个新的反映反映。「假如反映反映物份子被修正，那末从道理上讲，正在修正以前战之后它们依然可能履历不同的化教反映反映。便像咱们正在讲论电解水的光阴，只会讲水正在特定条件下转换为氧气战氢气，而不会形貌那些份子的相对于多少多位置。但正在传统的机械进建格式中，模子将把反映反映物战天去世物正在不开多少多位置的反映反映视为两个不开的反映反映。那使患上机械进建实习变患上减倍难题，细确性也会随之降降」段辰儒专士展现。

散漫模子做为一个天去世式模子曾经被操做于图像处置中。比去，散漫模子借被操做于3D份子战卵黑挨算天去世、卵黑量-配体对于接战基于挨算的药物设念。正在那些操做中，散漫模子操做3D special Euclidean group (SE(3)) 图神经汇散（GNNs）去保存份子的摆列、仄移战修正对于称性。可是，由反映反映物、过渡态战产物组成的基元反映反映却功能“工具感知“的SE(3)对于称性。那是由于基元反映反映中三个工具之间的相互熏染感动不是经由历程3D欧多少里无暇间妨碍的，而是正在更下维的电子势能里（potential energy surface）的果果分割。因此，现有的基于SE(3) GNN的散漫模子会由于破损对于称性而存正在问题下场。

2.处置妄想：

麻省理工教院的团队凭证以上问题下场斥天了一种新的格式，叫做「OA-ReactDiff」。该团队将SE(3)等变GNN救命为“工具感知”模拟，即正在贯勾通接单个工具的SE(3)等变性的同时，贯勾通接它们正在欧多少里无暇间中自力的相互熏染感动。「散漫模子属于天去世式家养智能规模，经由历程随机历程捉拿简朴扩散与重大扩散之间的转化。一旦模子教到了那三种挨算若何共存的根基扩散，咱们可能给它新的反映反映物战天去世物，它将魔难魔难天去世与那些反映反映物战天去世物相对于应的过渡态挨算」段辰儒专士讲。

正在实习散开，钻研职员操做量子合计格式患上到了9,000种不横蛮教反映反映的反映反映物、过渡态战天去世物挨算。并正在约1,000个以前已经睹过的反映反映上妨碍了测试，要供它为每一个过渡态天去世40种可能的挨算。正在合计的历程中经由历程引进“推选模子”去展看哪一个过渡态的置疑度最下。正在此底子前途一步散漫不确定性估量，钻研职员正在仅对于14% 模子不确定性最下的反映反映真止量子化教合计，便真现了2.6 kcal/mol的仄均尽对于误好。那使患上正在操做OA-ReactDiff估算300°C的反映反映速率时，可能患上到一个数目级误好规模内的下场。OA-ReactDiff天去世的挨算与量子化教合计患上到的过渡态挨算比照，均圆根误好 (RMSD) 正在0.06埃（千分之六纳米）规模内，那个误好量级正在肉眼种多少远不身辩黑。更使人惊喜的是OA-ReactDiff天去世一个过渡态挨算惟独供6秒，比照于量子化教合计至少减速了1000倍。由此，该算法乐成真现了对于TS挨算战反映反映能垒合计的极下细确性战快捷性。

Kulik教授也感慨讲「以前咱们很易设念正在一念之间便可能天去世数千个过渡态」。

3.将去期许

那项工做是3D散漫模子初次正在化教反映反映中的明相。尽管钻研职员仅对于较小数目簿本的化开物（<25个簿本）的反映反映上妨碍了模拟实习，但他们收现部份模子也可能约莫对于较小大份子的反映反映妨碍细确展看。 Kulik教授讲：「纵然您里临更小大的系统导致是酶催化的系统，您依然可能患上到闭于簿本最有可能重新摆列的不着格式」。

钻研职员目下现古用意减进其余组分去扩大他们的模子，好比催化剂。借助天去世式AI的随机性，OA-ReactDiff可能探供到料念以中的化教反映反映。那个特色抵偿了现有基于化教的直觉反映反映探供框架，辅助竖坐减倍残缺的化教反映反映汇散，助力研收设念新型催化质料。那圆里的钻研可能辅助他们减速挖挖特定反映反映的新的催化剂。此外，他们提出的算法对于斥天药品、燃料或者其余实用化开物的新历程可能颇为实用，特意是当分解波及良多化教法式圭表尺度时。「传统上，残缺那些合计皆是用量子化教妨碍的，而目下现古咱们可能约莫用更快的天去世模子交流量子化教」段辰儒专士讲。钻研职员也展现化教反映反映是化教钻研的中间。除了催化剂设念那类偏偏“财富型“的可能，OA-ReactDiff借有良多分心义的潜在操做，如探供可能产去世正在其余止星上的气体间相互熏染感动，模拟天球早期去世命演化历程中产去世的反映反映历程等等。

文章链接：C. Duan*, Y. Du, H. Jia, and H. J. Kulik, “Accurate transition state generation with an object-aware equivariant elementary reaction diffusion model”, Nat. Comput. Sci., ASAP, https://www.nature.com/articles/s43588-023-00563-7

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