Ученые из МФТИ и МГУ под руководством Яна Иваненкова впервые разработали компьютерную модель, позволяющую предсказывать агрохимическую активность — наличие полезного воздействия на растения — простых молекул. С использованием независимого тестового набора и результатов собственного исследования было показано, что модель обладает высокой предсказательной способностью. Работа опубликована в научном журнале Phytochemistry.

Для построения модели авторы применили методы машинного обучения, в частности — самоорганизующиеся карты Кохонена. В качестве обучающей выборки использовалась уникальная выборка, включающая 1800 тщательно отобранных известных агрохимикатов. В качестве источников информации авторы использовали патенты, научные публикации и специализированные базы данных. Важно отметить, что модель также способна прогнозировать класс активности молекул (какое именно воздействие на растение она будет оказывать), причем с довольно высокой точностью — 87%, и предсказывать активность молекулы с точностью 67%.

Построенная модель Кохонена: зеленый градиент н...

Построенная модель Кохонена: зеленый градиент на заднем фоне соответствует молекулам — активаторам роста растений из обучающей выборки, более темные области заселены большим количеством молекул. Кружками показаны молекулы из тестового (экспериментального) набора. Видно, что большинство протестированных молекул лежит в темных областях, что свидетельствует о высокой предсказательной способности модели. Изображение: адаптировано из Bushkov et. al. / Phytochemistry

Молекулы, интересные с точки зрения агрохимии, принято делить на 2 категории: пестициды (которые борются с насекомыми, сорняками и грибками) и регуляторы роста растений (стимулирующие или подавляющие их рост). Для того, чтобы обнаружить новую активную молекулу из какой—либо группы, проводят дорогостоящие эксперименты — синтезируют большое количество (обычно несколько тысяч) разнообразных молекул, а затем проверяют их эффект на клетках или целых растениях. При этом в таких экспериментах значителен процент промахов — активными в лучшем случае могут оказаться лишь несколько десятков молекул. Иными словами, модель может быть использована с целью обоснованного уменьшения изначального количества молекул из числа доступных для дальнейшей экспериментальной проверки. Это позволит значительно снизить как временные, так и финансовые затраты на поиск активных молекул.

Дибензазепин — регулятор роста растений, о...

Дибензазепин — регулятор роста растений, одна из молекул, правильно классифицированная моделью. Изображение: Bushkov et. al. / Phytochemistry

В своей работе авторы для моделирования использовали представление химического пространства, в котором каждая молекула описывается набором особых параметров — молекулярных дескрипторов. Значение такого дескриптора отражает особое свойство молекулы — растворимость, размер, площадь полярной поверхности и т.д. Каждая молекула в химическом пространстве задается (кодируется) набором таких параметров, как точка — своими координатами на плоскости.

С использованием алгоритма Кохонена без учителя можно уменьшить размерность этих данных с наименьшей ошибкой (этот этап назвается обучением алгоритма) и визуализировать результат в виде удобной для анализа двумерной карты, на которой можно поочередно выделить области, занимаемые молекулами из различных категорий. Тогда по этой карте можно оценить классификационную способность модели. Если эта способность в высока (например, для подобных масштабных задач это больше 70%), то модель можно протестировать с использованием независимого тестового набора молекул, которые не принимали участие в обучении. Именно это и сделали авторы работы, наглядно продемонстрировав, что их модель способна прогнозировать специфическую активность новых молекул, относя их к одной из общепринятых категорий: гербициды, регуляторы роста растений и т.п.

«Важно отметить, что разработанная модель обладает хорошей дифференциальной прогностической способностью и является первой в области агрохимии, построенной с использованием такой представительной обучающей выборки. В ходе работы нам совместно с коллегами из Лаборатории разработки инновационных лекарственных средств удалось протестировать модель с использованием результатов реального тестирования, осуществленного нами. В дальнейшем мы планируем расширить обучающую выборку и повысить прогностическую способность модели, возможно с применением других алгоритмов машинного обучения» —

комментирует основные результаты работы и дальнейшие планы Ян Иваненков, главный автор статьи и заведующий Лабораторией медицинской химии и биоинформатики МФТИ.

В будущем подобные вычислительные модели позволят значительно удешевить поиск новых активных молекул и внесут свой вклад в понимание механизмов их действия.