Development of Chemical Structure Generation Method Based on Three-dimensional Molecular Representation

基于三维分子表示的化学结构生成方法的发展

基本信息

批准号：
20K19922
负责人：
宮尾知幸
金额：
$ 2.66万
依托单位：
Nara Institute of Science and Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
财政年份：
2020
资助国家：
日本
起止时间：
2020-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究における目的は、「分子構造の３次元情報を取り入れた分子設計手法を確立すること」であり、今年度は遺伝的アルゴリズム（分子改変のみ）を利用した構造生成器の開発と、数式としてモデルを解釈できる回帰モデル構築手法を提案した。前年度までの研究成果では、分子構造の２次元情報を表現した記述子と３次元情報を表現した記述子において予測精度に有意な差は見られない一方で、「活性があるかないかを予測する課題」に対しては、３次元分子表現の優位性を複数のターゲットにおいて確認できている。これらの分子表現を利用したモデルは解釈可能なものでなければ、「実際の利用」を考えた場合には真に有用とはならない。そのために解釈性に富んだモデル構築手法が必要となりシンボリック回帰モデル構築手法を考案した。さまざまなタイプの予測モデルを、柔軟に組み込むことができる構造生成器として、遺伝的アルゴリム（分子改変）による構造生成器を開発した。既往の手法としてはヒュリースティックな構造改変ルールを実装したものが複数提案されている。しかし、今回構築した構造生成器は構造改変ルールを既存の化合物データベースから自動抽出する仕組みを利用しており、またコンピュータにおける仮想反応を利用している。これは、利用者が指定する反応に限定した構造改変を行うなど柔軟な設定が可能である。加えて解釈性に富んだ数式をモデルとして提案するシンボリック回帰構築手法を新規考案した。今後はこの開発した構造生成器とモデル構築手法を利用して、複数の活性・毒性予測モデルを統合したモデルの評価が良くなる分子構造を生成する予定である。

这项研究的目的是“建立一种分子设计方法，结合了有关分子结构的三维信息”，今年我们提出了一种使用遗传算法（仅分子修饰）开发结构发生器的方法，以及一种构建可以将模型作为数学公式进行解释的回归模型的方法。直到上一年的研究结果表明，描述符之间的预测准确性没有显着差异，这些描述符代表代表三维信息的分子结构和描述符的二维信息，但是可以在多个目标上确认“预测是否存在活性的问题”的多个目标的三维分子表示的优势。使用这些分子表达的模型是不可解释的，并且在考虑“实际使用”时并不是真正有用的。因此，需要一种高度解释性的模型构建方法，并设计了符号回归模型构建方法。我们已经使用遗传算法（分子修饰）作为一种结构发生器开发了一个结构性发生器，可以灵活地融合各种类型的预测模型。已经提出了几种实施Hullystick结构修改规则的方法。但是，这次构建的结构生成器使用了一种机制，该机制自动从现有复合数据库中提取结构修改规则，并在计算机中使用虚拟响应。这允许灵活的设置（例如修改结构都限于用户指定的反应。另外，一种构造符号回归的新方法，该方法提出了高度可解释的数学公式作为模型。将来，我们计划使用这种开发的结构生成器和模型构建方法来生成分子结构，以改善整合多重活动和毒性预测模型的模型的评估。