Chemický informačný systém

Chemický informačný systém umožňuje zachytiť, registrovať, vyhľadať, usporiadať a manipulovať s chemickou informáciou. Táto informácia obsahuje chemické štruktúry a s nimi združené informácie o danej zlúčenine. Významný pokrok v oblasti chemických informačných počítačových systémov a molekulového modelovania predstavuje vývoj vyspelých 3D chemických informačných systémov, ktoré sa využívajú na vyhľadávanie, spracovanie a triedenie údajov o trojrozmerných (3D) chemických štruktúrach. Takéto softvérové systémy a databázy sú stále predmetom intenzívneho výskumu a aplikácií v rôznych odboroch chémie. 3D systémy a databázy sa môžu považovať ako rozšírenie starších dvojrozmerných informačných manažérskych systémov a databáz. Tieto systémy sú schopné pochopiť a vedieť zaobchádzať aj s trojrozmernými chemickými štruktúrnymi informáciami. Tieto techniky využíva najmä farmaceutický priemysel aj akadémia v procese výskumu a vývoja nových liekov.^[1]^[2]

Dejiny

Vývoj softvérov, ktoré spracúvajú a uchovávajú dôležité informácie o chemických zlúčeninách sa začal už v roku 1960. Nedávno sa v odbornej literatúre objavil nový pojem chemická informatika (angl. cheminformatics). Chemickú informatiku definoval v roku 1998 Frank Brown ako miešanie informačných zdrojov s cieľom pretransformovať údaje na informácie a informácie na vedomosti za účelom rýchlejšieho prijímania správnych rozhodnutí v oblasti identifikácie a optimalizácie nosných štruktúr liečiv.^[3] Neskôr Johann Gasteiger zaviedol omnoho všeobecnejšiu definíciu chemickej informatiky: Chemická informatika spočíva na využití metód informatiky na riešenie chemických problémov.^[4] V súčasnosti je chemická informatika integrálnou súčasťou metód výskumu a vývoja nových liečiv. Do chemickej informatiky sa zaraďujú nasledovné postupy a metódy: vytváranie databanky zlúčenín, prístup k primárnym a sekundárnym zdrojom vedeckej literatúry, QSAR (angl. quantitative structure–activity relationships) a podobné nástroje štúdia vzťahov medzi štruktúrou a biologickou aktivitou, databanky chemických štruktúr a vlastností zlúčenín, projektovanie a vytváranie chemických knižníc, metódy ich analýzy a štatistické metódy. Získavanie informácií a vedomostí o biologicky aktívnych zlúčeninách je len jednou stránkou chemickej informatiky.^[5]

Základy

Oblasť chemických informačných počítačových systémov obsahuje veľké množstvo počítačových metód používaných pri vývoji chemických liečiv a iných produktov chémie. Hlavné smery využitia týchto postupov sa sústreďujú do nasledujúcich oblastí:

informačné systémy a databázy 2-rozmerných (2D) a 3-rozmerných (3D) chemických štruktúr,
informačný manažment a databázy o syntetických reakciách,
veľká škála rôznych chemických inteligentných počítačových systémov (obsahujúca systémy, ktoré sa používajú na predpovedanie fyzikálnych, chemických a biologických vlastností a údajov špeciálne zaujímavých pre objav a vývoj liečiva).

Táto oblasť neobsahuje dôležité počítačové systémy ako molekulové modelovanie, počítačovo podporované projektovanie liečiv, počítačová chémia a QSAR (kvantitatívne vzťahy medzi štruktúrou a aktivitou).^[1]

Funkcia softvéru

Najdôležitejšou zložkou chemického informačného systému je jeho chemická inteligencia. To znamená, že softvér musí mať schopnosť pochopiť a pracovať s chemickými štruktúrami a údajmi. Chemická inteligencia sa definuje ako schopnosť softvéru pochopiť a využiť pravidlá týkajúce sa chemických štruktúr, ktoré bežne používajú chemici (grafické znázornenie chemickej štruktúry, reprezentácia štruktúry tabuľkou atómových súradníc). Chemická inteligencia obyčajne zahŕňa poznanie a pochopenie najmä:

rôznych typov atómov (vrátane izotopov),
rôznych typov väzieb (jednoduché, dvojité, trojité, aromatické)
chemickej konštitúcie,
valencie a rôznych valenčných stavov,
nábojov atómov (vrátane radikálov),
stereochémie (vrátane stereoizomérov a geometrických izomérov, nestabilných stavov a relatívnu stereochémiu),
aromaticity,
tautomérov^[1]

Chemické informačné systémy používajú niekoľko štandardných vstupných údajov. Každý z nich má určitú špecifickú funkciu (napr. kreslenie chemickej štruktúry, registrácia zlúčenín a údajov o nich, vyhľadávanie v databázach štruktúr a údajov z chemickej databázy). Užívateľ môže vybrať daný parameter z programovej ponuky pomocou grafickej voľby príslušného tlačidla, alebo napísaním príkazu. Chemické štruktúry sa dajú zadať rôznymi spôsobmi. Užívateľ môže graficky znázorniť chemickú štruktúru na obrazovke počítača (podobne ako chemik nakreslí chemickú štruktúru na papier), pričom najobvyklejšou pomôckou kreslenia je myš. Po nakreslení štruktúry danej zlúčeniny je nevyhnutné určiť jej priestorové usporiadanie - stereochémiu (toto sa uskutoční automaticky počítačom po zadaní príslušného príkazu s využitím chemickej inteligencie softvéru, alebo sa stereochémia určí po uskutočnení patričných výpočtov). Nakreslenej štruktúre ešte treba priradiť náboj (ak študujeme ióny), typ izotopu a podobne. Pri kreslení požadovanej štruktúry sa výhodne využívajú fragmenty - predefinované štruktúry, čo uľahčuje a urýchľuje kreslenie, zvlášť pri komplikovaných štruktúrach. Chemická štruktúra sa môže získať aj (a potom upravovať ak je to potrebné) z chemickej databanky alebo zo súboru vytvoreného externe pomocou iného počítača. Okrem ukladania chemických štruktúr v chemických databankách sú chemické informačné systémy schopné uchovať chemickú štruktúru na vonkajšom počítačovom súbore, ktorý sa môže ľahko prečítať.^[5]

Špecifické softvérové systémy

Medzi najúspešnejšie a najviac zdokumentované systémy patrí Upjohnov COUSIN, CROSSBOW spoločnosti ICI a Pfizerov SOCRATES. V osemdesiatych rokoch dvadsiateho storočia sa rýchlo vyvíjajú komerčné chemické informačné systémy, ktoré postupne preberajú a využívajú farmaceutické spoločnosti. Od roku 1990 skoro všetky veľké (a väčšina menších) farmaceutických spoločností používajú niektorý z komerčných chemických informačných softvérov na vytváranie databáz, ktoré sa skladajú z vlastných zlúčenín. Tieto banky môžu obsahovať až niekoľko stotisíc chemických zlúčenín. Novú generáciu softvéru (ISIS, angl. Integrated Scientific Information System) vyvinula spoločnosť MDL Informations Systems. ISIS je komerčným produktom, ktorý integruje pracovné stanice, databázy a počítačové platformy výskumnej základne celej farmaceutickej spoločnosti. Splynutím a ovládnutím niektorých spoločností sa doplnili a rozšírili aj databázy novovytvorených väčších softvérových spoločností. Príkladom takéhoto vývoja bolo aj založenie softvérovej spoločnosti Accelrys Software Inc v roku 2001. Táto spoločnosť poskytuje chemickému výskumu kompletný súbor vedeckého softvéru. Pri objavovaní chemických štruktúr majú dôležitú úlohu aj Chemické databázy. Hlavné princípy, na ktorých sú postavené, zahrnujú najmä:^[5]

grafické kreslenie chemickej štruktúry z pôvodného „hardcopy“ zápisu a potom registráciu chemickej štruktúry do databázy,
automatickú konverziu chemických štruktúr v databázach so starším softvérom do tvaru schopného registrácie v novej databáze.

Aplikácie

V súčasnosti sú chemické informačné systémy a databázy nielen vysoko vyspelými, ale aj spoľahlivými pomôckami chemického informačného manažmentu a dôležitými zásobárňami informácií používaných pri výskume a vývoji vo viacerých oblastiach chémie (medicínska, poľnohospodárska, organická chémia). Tieto softvérové pomôcky a informačné zdroje zmenili aj spôsob, akým vedci v priemysle a akademickom výskume postupujú pri hľadaní nových aktívnych zlúčenín. Softvérové systémy v súčasnosti umožňujú farmaceutickým spoločnostiam spracovať efektívne a presne obrovské množstvo chemických štruktúr vlastných zlúčenín. Rovnako dôležité sú tieto systémy pri prístupe, integrácii, analýze a zdieľaní chemických, biologických a iných informácií, ktoré sa tvoria v procese hľadania nových liečiv a iných produktov materiálovej chémie.^[6]

Referencie

↑ ^a ^b ^c Dietrich, S., W. Chemical Information Computing Systems in Drug Discovery. In M. E. Wolff (Ed.) Burger’s Medicinal Chemistry and Drug Discovery, Volume I: Principles and Practice, 415-496, J. Wiley & Sons, New York, 1996.
↑ Henry, D., R. Chemical Information Computing Systems in Drug Discovery. In D. J. Abraham (Ed.) Burger’s Medicinal Chemistry and Drug Discovery, Volume I: Drug Discovery, 357-416, J. Wiley & Sons, New York, 2003.
↑ Brown, F., K. Cheminformatics: what is it and how does it impact drug discovery. Annu. Rep. Med. Chem. 33 (1998) 375–384.
↑ Gasteiger, J. The Scope of Chemoinformatics. In Handbook of Chemoinformatics; J. Gasteiger (Ed). Wiley-VCH: Weinheim, 2003, 3-5.
↑ ^a ^b ^c Remko, M. Základy medicínskej a farmaceutickej chémie. Slovak Academic Press Bratislava, 2005, 392s. ISBN 80-89104-64-9
↑ Engel, T., Gasteiger J. (Eds) Chemoinformatics: Basic Concepts and Methods. Wiley-VCH Verlag GmbH, 2018. 608 s. ISBN 978-3-527-33109-3

Pozri aj

Chemický portál

[:0-1] Dietrich, S., W. Chemical Information Computing Systems in Drug Discovery. In M. E. Wolff (Ed.) Burger’s Medicinal Chemistry and Drug Discovery, Volume I: Principles and Practice, 415-496, J. Wiley & Sons, New York, 1996.

[2] Henry, D., R. Chemical Information Computing Systems in Drug Discovery. In D. J. Abraham (Ed.) Burger’s Medicinal Chemistry and Drug Discovery, Volume I: Drug Discovery, 357-416, J. Wiley & Sons, New York, 2003.

[3] Brown, F., K. Cheminformatics: what is it and how does it impact drug discovery. Annu. Rep. Med. Chem. 33 (1998) 375–384.

[4] Gasteiger, J. The Scope of Chemoinformatics. In Handbook of Chemoinformatics; J. Gasteiger (Ed). Wiley-VCH: Weinheim, 2003, 3-5.

[:1-5] Remko, M. Základy medicínskej a farmaceutickej chémie. Slovak Academic Press Bratislava, 2005, 392s. ISBN 80-89104-64-9

[6] Engel, T., Gasteiger J. (Eds) Chemoinformatics: Basic Concepts and Methods. Wiley-VCH Verlag GmbH, 2018. 608 s. ISBN 978-3-527-33109-3

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]