科学家利用机器学习开发分子罐头的开启器

在越来越注重更有针对性的药物治疗、更个体化的治疗和更有效的治疗的医疗时代，医生和科学家希望能够将分子引入生物系统以采取特定的行动。

例子是基因治疗和药物输送，为了广泛使用，它需要既有效又便宜。为了实现这一目标，三名研究人员利用机器学习设计了一种去除分子笼内分子的方法。他们的研究是发表在物理评论快报。

该研究的主要作者是哈佛大学的 Ryan K. Krueger，但每位合著者的贡献均等，该研究使用可微分分子动力学设计复杂的反应来引导系统达到特定的结果。

例如，他们对胶体结构进行了受控分解，特别是设计了一种分子，可以去除被胶体颗粒的完整壳或“笼”包围和束缚的颗粒。（胶体是物质的混合物，其中纳米级或微米级不溶性颗粒分散在另一种物质中。例如牛奶、烟和明胶。）

机器学习被用来优化贝壳“开启剂”分子的设计，由于其几何形状，他们将其称为“蜘蛛”。正如他们所写，“拆卸是生命系统动态功能的核心，例如缺陷修复、自我复制和催化。”

特别是，他们设计了二十面体壳的受控分解，收集 12 个颗粒，并用 30 个外边缘连接壳颗粒。这种结构很像蛋白质衣壳容纳病毒的地方。

壳粒子被认为是“斑驳的”——它们与其他壳粒子和笼中粒子的相互作用具有决定相互作用的方向性和相对强度的特定参数值。引入软材料研究20年前，补丁在设计的交互中提供了多功能的可调性，在可微库中最近开发的补丁粒子模拟的帮助下实现特定的行为。

斑片状颗粒的表面甚至可以变化；这里是 12 个单独的壳颗粒。目标是拆卸外壳，在完成拆卸和保持剩余下部结构的完整性之间存在固有的张力。

研究人员假设莫尔斯电势为相互作用的壳粒子的势能，通常用作模型双原子分子中两个原子之间以及与笼状分子之间的相互作用。

这莫尔斯电势很简单，并且具有三个自由参数，可以（并且必须）根据所需情况进行选择。去除笼状颗粒需要去除其中一个壳颗粒。

在他们的分析中，研究小组假设去除壳粒子的物体是一个刚性的金字塔型结构，可以安装在 12 球体簇的顶部。他们称这个物体为“蜘蛛”。它由形成金字塔底部的五边形颗粒环组成，金字塔组件顶部有一个“头部颗粒”。

在他们的模拟中，二十面体壳被给定并固定，蜘蛛可以自由地降落在任何壳粒子上并与其相互作用。

调整补丁参数，使蜘蛛作为一个整体既不会被壳簇吸引或排斥，但金字塔顶部的粒子会被一种力吸引到壳粒子上的补丁上，该力可能会因距离和距离而变化。力量。蜘蛛的尺寸及其头部粒子和基础粒子的半径也可以调整。

克鲁格和他的合作者使用分子动力学，这是一种标准技术，通过每个粒子与其他粒子的相互作用力来计算每个粒子的运动。他们想确定蜘蛛的哪些特定参数可以从壳中取出笼中的分子。

在计算机上通过蛮力来完成此操作（逐个粒子地计算所有可能的参数，直到达到所需的结果）将花费太多的计算能力和时间。因此，该小组转向机器学习，以最小化代表拆卸和剩余子结构完整性之间紧张关系的损失函数。

这个过程成功地生产出了可以完成移除任务的刚性蜘蛛。然后，他们允许蜘蛛弯曲，引入一个代表“可配置熵”的新自由参数。

当它也得到优化时，释放笼中粒子所需的能量就会减少。他们发现，与最初假设的具有对称五边形底座的蜘蛛相比，具有不对称柔性底座腿的蜘蛛需要更少的能量来释放笼中的粒子。

他们指出他们的方法可以广泛应用。他们写道：“由于我们直接针对数值积分动力学进行优化，因此我们的方法足够通用，可以研究各种系统。”

“最重要的是，它可以使理论模型的实验实现成为可能，否则这些理论模型将因无法微调相互作用能量而受到限制。”

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