Как применять методы квантовой химии на практике? Опыт студентки ИТМО Влады Петровой

— В ИТМО вы учитесь на образовательной программе «Экологический инжиниринг», но при этом изучаете квантовую химию. Что это за направление и как появилась идея этим заниматься?

— Это мой личный интерес, который возник с первого курса и поддерживается до сих пор. В ИТМО у меня не было никаких специализированных курсов, но я сама читала книги, изучала туториалы. Также полезную информацию можно найти на платформах Stepik, «Открытое образование» и на сайте Teach-In.

На самом деле, я понимаю, что многих может напугать само словосочетание «квантовая химия», но методы этой науки применяются в разных сферах — химии, биологии, медицине и считаются хорошими инструментами для проведения исследований.

— Как именно применяют эти методы и чем они могут быть полезны?

— Одна из актуальных тем ― оценка реакционной способности органических соединений. Многие ученые, например те, кто занимается синтезом в органической лаборатории, используют методы квантовой химии, чтобы упростить и ускорить свою работу. Раньше химики-органики использовали большое количество реагентов, но по итогу могли прийти к выводу, что их метод не работает и они зря потратили материалы и время. Сейчас можно сначала смоделировать химический процесс, узнать, какие параметры, например давление или температура, нужны, чтобы реакция протекала эффективно, и только после этого приступить к работе руками. Наиболее просто квантовую химию в экологии можно применять на уровне биохимии и молекулярной биологии из-за их атомно-молекулярного уровня рассмотрения проблем. Я искренне убеждена, что методы квантовой химии могут найти достойное применение наравне с методами биофизики, микробиологии и прочих естественнонаучных дисциплин. 

— Недавно вы работали над исследованиями на стыке квантовой химии и экологии в образовательном центре «Сириус». Почему решили туда поехать?

— Уже на первом курсе я хотела заниматься наукой, но в то время в международном научном центре SCAMT, куда я обратилась, мне посоветовали повременить с этим. Спустя три года один из бывших магистрантов SCAMT вспомнил обо мне и предложил обратиться к его коллеге, младшему научному сотруднику в Институте биоорганической химии им. академиков М. М. Шемякина и Ю. А. Овчинникова РАН (ИБХ РАН), для совместной работы над одним интересным квантовохимическим проектом. Так уж случилось, что они оба были одними из преподавателей образовательной программы «Принципы анализа и моделирования молекулярных ансамблей в свете дизайна фармакологически активных агентов» в «Сириусе». Поэтому я довольно быстро узнала о программе, непосредственно связанной с моей научной деятельностью, решила попробовать и подала заявку. Несмотря на отбор по резюме, мотивационному письму, научным публикациями и другим критериями мне и еще около 20 студентам удалось пройти.

Мне кажется, обучение в «Сириусе» — это отличная возможность, чтобы не только получить новые знания, но и познакомиться с людьми. В моей программе участвовали разные студенты — химики, биологи, программисты и медики, которые помогли мне посмотреть на проект под другим углом. К тому же, я обрела новые профессиональные связи, и для следующих проектов могу обратиться за помощью именно к коллегам по команде.

Стоит отметить, что это был не воркшоп, а полноценная образовательная программа, то есть в течение всего времени в «Сириусе» у нас каждый день было по четыре занятия, на которых мы как разбирали теорию, так и пробовали все на практике. На лекциях мы ознакомились с квантовой химией, молекулярной динамикой, сольватационными моделями и докингом.

— Каким проектом вы занимались в «Сириусе»?

— Он посвящен исследованию работы антитела А17 ― как известно, именно антитела нейтрализуют различные патогены, попадающие в организм. В нашем случае это фосфорорганические соединения (ФОС) (к категории фосфорорганических соединений относятся все боевые отравляющие вещества нервно-паралитического действия ― прим. автора). Поскольку механизм ковалентного ингибирования ФОС антителом весьма сложен, мы выбрали модельную реакцию щелочного гидролиза. Для исследования было необходимо с помощью методов квантовой химии провести анализ электронной плотности и найти дескрипторы — параметры, которые мы используем для машинного обучения, чтобы предсказать возможности протекания реакции.

Мы научили программу находить корреляции между дескрипторами и свободной энергией Гиббса протекания реакции щелочного гидролиза. В результате мы получили возможность с химической точностью предсказывать направление реакции для веществ не из обучающей и тестовой выборок. Также были выявлены вносящие наибольший вклад дескрипторы.

— Как проходила работа?

— Она продолжалась в течение двух недель. Сначала мы с командой собрали и проанализировали информацию о фосфорорганических соединениях. И чем больше мы находили соединений и добавляли их в базу данных, тем лучше, потому что для машинного обучения необходимы большие выборки. Нам удалось собрать около 600 ФОС, но это были обычные структурные формулы, а для квантовохимических расчетов нужен файл, в котором отражается пространственная геометрия молекул. Поэтому программист из нашей команды автоматизировал процесс преобразования строкового формата записи молекул в файл с координатами атомов, благодаря этому мы сгенерировали 600 пространственных структур. Далее каждую из них нужно было геометрически оптимизировать с помощью расчетов, чтобы энергия была минимальной, а сами соединения — устойчивыми. Другими словами, мы писали команды на сервере и запускали программу, которая проводила расчеты.

После этого мы провели конформационный анализ оптимизированных структур. Что такое конформеры, можно объяснить на простом примере. Возьмем молекулу этана (H3C—CH3), ее проекцию можно представить в виде двух наложенных друг на друга правильных треугольников. При повороте их друг относительно друга вершины либо совпадают, либо направлены в противоположные стороны. Это две конформации: они реализуются не в равной степени, поскольку обладают разной энергией. Нам нужно было проанализировать, какие у наших молекул могут быть конформации, и найти вариант с минимальной энергией. Для этого мы и проводили конформационный анализ. Всё это ― этап подготовки. На следующем этапе с помощью анализа электронной плотности нужной конформации мы получили параметры, которые использовали для машинного обучения.

― Будут ли эти результаты как-то использоваться дальше?

― Всё то, что мы делали в «Сириусе», — лишь малая часть большого проекта, реализуемого на базе ИБХ РАН. Модель, которую мы рассматривали в «Сириусе», упрощенная, но она позволила сделать два ключевых вывода: первый — о возможности протекания щелочного гидролиза ФОС, второй — о наиболее значимых дескрипторах. Благодаря выбору подходящих дескрипторов появляется возможность проведения кластеризации нашей библиотеки ФОС, что в будущем улучшит предсказательные способности программы.

— Вы как-то применяете квантовохимические расчеты в своем обучении? Какими еще проектами занимаетесь?

— Тема моей выпускной квалификационной работы схожа с проектом в «Сириусе»: и там, и там я изучаю фосфорорганические соединения и использую одинаковые методы квантовой химии. В «Сириусе» я тренировалась использовать квантовохимические расчеты на более общей выборке, но в своей ВКР с их помощью я изучаю пестициды, используемые в сельском хозяйстве.

Мне кажется, заниматься этим направлением важно, потому что в развивающихся странах, например в Индии, до сих пор достаточно остро стоит проблема регулирования оборота агрохимикатов ― из-за этого продукты питания могут представлять опасность для потребителей, которые просто могут ими отравиться.