Hvað er efnaupplýsingafræði og hvernig hjálpar hún til við að uppgötva ný lyf?

Vissir þú að það tekur á milli 10 og 15 ár að uppgötva nýtt lyf og kostar milljarða dollara? Tíminn, peningarnir og fyrirhöfnin sem fjárfest er í er gríðarleg, en það er allt að breytast þökk sé vísindagrein sem kallast efnaupplýsingafræði.Hvað það er og hvernig það hjálpar til við að uppgötva ný lyfSvarið er jafn spennandi og það er flókið og í þessari færslu munum við útskýra það á einfaldan hátt.

Hvað er efnaupplýsingafræði? Spennandi samruni efnafræði og tölvunarfræði

Til að skilja Hvað er efnaupplýsingafræði?Ímyndaðu þér að þú þurfir að finna einstakan lykil sem opnar afar flókinn lás. En lykillinn er falinn á meðal fjalls af tíu milljörðum mismunandi lyklum. Hvílíkt verkefni! Geturðu ímyndað þér hversu mikinn tíma og fyrirhöfn það myndi taka að leita handvirkt og prófa hvern lykil fyrir sig?

Lyfjaiðnaðurinn stendur frammi fyrir þessari gríðarlegu áskorun. Lásinn táknar sjúkdómsvaldandi prótein og lykillinn er efnasameind sem hægt væri að breyta í lyf. Í áratugi, Sérfræðingar hafa notað „handvirk“ kerfi til að finna hvert nýtt lyf, að fjárfesta gríðarlega miklum tíma, peningum og fyrirhöfn.

Til baka að samlíkingunni, ímyndaðu þér að þú hafir nú snjallt kerfi Það getur strax útilokað níu af hverjum tíu lyklum sem passa ekki. Kerfið hjálpar þér einnig að spá fyrir um hvaða lyklar hafa vænlegustu lögunina, safna þeim saman og flokka þá í knippi. Frábært! Það er í raun galdurinn við efnaupplýsingafræði.

Hvað er efnaupplýsingafræði? Samkvæmt vefgáttinni PubMed, „er svið upplýsingatækni sem leggur áherslu á söfnun, geymslu, greiningu og meðhöndlun efnafræðilegra gagna.“ Þessi vísindagrein. notar tölvunarfræði og gagnavísindatækni til að leysa flókin vandamál í efnafræðiÞað snýst fyrst og fremst um lyfjaþróun en hefur einnig notkun í mörgum geirum (landbúnaðarefnum, matvælum o.s.frv.).

Tveir grundvallarþættir: Gögn og reiknirit

Til að skilja hvernig efnaupplýsingafræði virkar verðum við að ræða tvo grundvallarþætti hennar: efnafræðileg gögn, annars vegar, og reiknirit og líkönHins vegar. Síðarnefndu eru notuð til að vinna úr efnafræðilegum gögnum og þannig afla gagnlegra upplýsinga sem gera kleift að hámarka lyfjaþróun. Til að gera þetta er fyrst nauðsynlegt að stafræna öll gögn sem tengjast hverju núverandi efnasambandi.

Svo byrjar þetta allt með því stafrænni umbreytingu sameindaÞetta er hægt að tákna stafrænt með sérstökum sniðum (eins og SMILES, InChI eða SDF skrám) sem tölva getur skilið og unnið úr. Auðvitað erum við ekki að tala um einfaldar teikningar: þessar skrár kóða upplýsingar eins og atóm, tengi þeirra, þrívíddarbyggingu, rafhleðslu, eðliseiginleika o.s.frv. Þetta hefur leitt til tilvistar risavaxinna gagnagrunna sem geyma milljónir sameinda, bæði náttúrulegra og tilbúna.

• Þegar efnasamböndin, með öllum eiginleikum sínum, hafa verið færð yfir á stafrænt plan er hægt að beita reiknitækjum á þau.
• Þetta snýst efnaupplýsingafræði um: að beita efnafræðilegum gögnum tölfræði, vélanám, gervigreind, gagnanám og mynsturgreiningaraðferðir.
• Öll þessi reiknirit og líkön flýta mjög fyrir greiningu á svo miklu magni gagna, með það að lokamarkmiði að þróa lyf.

Hvernig efnaupplýsingafræði hjálpar til við að uppgötva ný lyf

Í grundvallaratriðum er það sem efnaupplýsingafræði gerir að hámarka öll stig lyfjauppgötvunar- og þróunarferlisinsÞað er vert að hafa í huga að þetta ferli er langt og flókið ferli sem getur tekið 10 til 15 ár og kostað milljarða dollara. En mikið af þessu starfi hefur verið einfaldað til muna þökk sé samruna efnafræði og tölvunarfræði. Við skulum skoða hvernig þetta er mögulegt á fyrstu stigum lyfjaþróunar:

1. stig: Uppgötvun og rannsóknir

Til að búa til lyf er það fyrsta sem vísindamenn gera að rannsaka hvað veldur sjúkdómi. Innan þeirrar orsökar, Þeir bera kennsl á líffræðilegt markmið eða tilgang (eins og prótein eða gen) sem hægt er að breyta til að meðhöndla sjúkdóminn.Á þessum tímapunkti hjálpar efnaupplýsingafræði til við að vita hvort skotmark sé „lyfjahæft“, það er að segja hvort það hefur boltinn (aftur að upphaflegu samlíkingunni) til að kynna lykillinn (sameind) til að reyna að breyta því.

Að auki hjálpa gagnavinnslutækni einnig til við að bera kennsl á og búa til mögulegar sameindir (lykilknippi) sem gætu haft samskipti við skotmarkið. Í stað þess að prófa milljónir efnasambanda líkamlega, a sýndarskimun í gríðarstórum gagnagrunnum til að finna bestu umsækjendurna. Þannig er það sem áður tók tvö til fjögur ár nú gert á mun skemmri tíma og með minni fjárfestingu í peningum og fyrirhöfn.

2. stig: Forklínískt stig

Í forklíníska fasanum eru efnilegustu efnin sem fundist hafa tekin og rannsökuð vandlega til að meta öryggi og virkni þeirra. Þessar rannsóknir eru venjulega framkvæmdar bæði vitro (á frumum og vefjum) sem in vivo (í dýrum). En, Efnaupplýsingafræði gerir kleift að herma allar þessar rannsóknir í kísil, það er að segja, í tölvu, og með niðurstöðum sem eru mjög svipaðar rannsóknarstofuprófunum. Þetta sparar að sjálfsögðu auðlindir og tíma og kemur í veg fyrir að þurfa að búa til hundruð gagnslausra afbrigða.

3. stig: Klínískar rannsóknarfasar

Ef forklínískar rannsóknir bera árangur fer efnið í prófanir á mönnum. Slíkt efnasamband getur auðvitað verið mjög öflugt í tilraunaglasi eða í stafrænni hermun. En ef mannslíkaminn tekur það ekki upp, það er eitrað eða lifrin brýtur það of hratt niður, þá telst það lyfjamisheppnað. Þess vegna er nauðsynlegt að framkvæma rannsókn áður en prófanir á mönnum eru gerðar. ADMET eiginleikaspápróf, sem mælir aðsog, dreifingu, efnaskipti, útskilnað og eituráhrif af efnasambandinu í mannslíkamanum.

Sem betur fer Efnaupplýsingafræðilíkön geta einnig keyrt ADMET eiginleikaspáprófanirÞetta er hægt að gera jafnvel áður en efnið er prófað á dýrum, til að útiloka vandkvæða frambjóðendur snemma. Aftur á móti dregur framkvæmd þessara stafrænu hermunar úr fjölda misheppnaðra klínískra rannsókna, sem og þörfinni á að nota þátttakendur í tilrauninni (og siðferðilegum áhrifum sem af því hlýst).

Að lokum höfum við skoðað í grófum dráttum hvað efnaupplýsingafræði er og hvernig hún hjálpar til við að uppgötva ný lyf. Sveigjanleiki þessarar vísindagreinar er gríðarlegur., þannig að meiri og betri niðurstöður eru væntanlegar í framtíðinni. Með því að sameina kraft efnafræðinnar og tölvugreind opnast heill möguleiki á að meðhöndla sjúkdóma hraðar, nákvæmar og hagkvæmari.