Le logiciel de calcul avancé rationalise des recherches sur la chimie quantique en automatisant de nombreux processus d'exécution des simulations moléculaires. Cependant, la conception compliquée de ces packages logiciels limite souvent leur utilisation aux chimistes théoriques formés à des techniques informatiques spécialisées.
Une nouvelle plate-forme Web développée à l'université Emory surmonte cette limitation avec un chatbot convivial.
Le chatbot guide les non-experts à travers un processus en plusieurs étapes pour la configuration des simulations moléculaires et la visualisation des molécules en solution. Il permet à n'importe quel chimiste – y compris les majors de chimie de premier cycle – pour configurer et exécuter des simulations mécaniques quantiques complexes par le chat.
La plate-forme gratuite et accessible au public – connue sous le nom d'autosolvateweb – se propose principalement d'infrastructures cloud, élargissant davantage l'accès à des outils de recherche informatique sophistiqués.
Le journal Sciences chimiques a publié une preuve de concept pour AutosolvateWeb, qui marque un pas en avant significatif dans l'intégration de l'IA dans l'éducation et la recherche scientifique.
AutosolvateWeb est conçu pour configurer des simulations pour qu'un produit chimique particulier soit dissous (un soluté) et une substance pour le dissoudre dans (un solvant), résultant en une solution (un solvat).
Les simulations sont livrées sous la forme de films 3D.
« C'est un peu comme un microscope, vous donnant une vision au niveau atomique des molécules interagissant dans une solution », explique Fang Liu, professeur adjoint d'Emory de chimie, qui a dirigé le développement de l'autosolvateweb.
La large accessibilité de AutosolvateWeb en fait un outil précieux pour créer de grands ensembles de données de haute qualité concernant les comportements des molécules en solution. Ces ensembles de données fournissent une base pour appliquer des techniques d'apprentissage automatique pour stimuler les innovations dans tout, des énergies renouvelables à la santé humaine.
« Notre objectif est d'aider à accélérer la découverte scientifique », explique Fangning Ren, co-auteur de la Sciences chimiques papier et un doctorat Emory. Étudiant en chimie.
Rohit Gadde, ancien spécialiste de la recherche Emory, est le premier auteur du journal. Les co-auteurs supplémentaires incluent Lechen Dong, étudiant diplômé d'Emory en chimie; Yao Wang, professeur adjoint d'Emory de chimie; Sreelaya Devaguptam, ancien érudit en visite d'Emory; et Rajat Mittal, ancienne assistante de recherche diplômée à l'Université Clemson.
Automatisation des tâches complexes
Chimiste théorique, Liu dirige une équipe spécialisée dans la chimie informatique, y compris la modélisation et le déchiffrement des propriétés moléculaires et des réactions dans la phase de solution.
Avant d'exécuter un programme de chimie quantique pour une molécule en solution, il est nécessaire de déterminer la géométrie de la molécule de soluté et l'emplacement et l'orientation des molécules de solvant environnantes par simulation moléculaire.
Le processus de mise en place de ces simulations est compliqué et prend du temps, limitant la fréquence à laquelle les chercheurs peuvent effectuer de tels calculs.
En 2022, le groupe LIU a développé un moyen d'automatiser bon nombre de ces calculs avec un système qu'il a surnommé l'autosolvate. Ce système a réduit les lignes de code qu'un chimiste informatique a besoin pour entrer dans un supercalculateur pour exécuter une simulation de centaines de lignes à quelques lignes.
En plus de l'interface de ligne de commande destinée à des chimistes théoriques plus expérimentés, l'autosolvate comprenait une interface graphique intuitive adaptée aux étudiants diplômés qui apprennent à exécuter des simulations.
AutosolvateWeb s'appuie sur cette fondation.
Accès à l'élargissement
En fonctionnant principalement sur l'infrastructure cloud, AutosolvateWeb surmonte des défis de configuration matérielle, aplatissant davantage la courbe d'apprentissage pour une recherche informatique sophistiquée. Le chatbot communique via le langage naturel plutôt que le code informatique sur le front-end, tandis que AutosolvateWeb automatise les processus logiciels sur le backend.
« Les chimistes peuvent passer moins de temps à apprendre à écrire du code informatique afin qu'ils puissent concentrer davantage leurs efforts sur des problèmes spécifiques qu'ils veulent résoudre », explique Liu. « Nous voulons également permettre aux étudiants d'exécuter des simulations par eux-mêmes afin qu'ils puissent comprendre la dynamique des molécules en solution plus en détail. »
Plutôt qu'un chat grand chatbot de modèle de langue (LLM), comme Chatgpt, le chatbot AutosolvateWeb est principalement basé sur des règles. Il ne converse pas comme un vrai humain sur une gamme de sujets, mais est axé sur des tâches spécifiques, similaires aux chatbots utilisés pour les services clients comme les services bancaires en ligne.
Le chatbot incite un utilisateur à taper le nom d'une molécule d'intérêt, comme la caféine, puis à sélectionner un solvant pour dissoudre la caféine, comme l'eau. Le système exploite les données de PubChem – la plus grande collection mondiale d'informations chimiques en ligne librement accessibles, assemblées par les National Institutes of Health.
Le chatbot guide l'utilisateur étape par étape via l'environnement cloud, intégrant de manière transparente plusieurs logiciels open source nécessaire pour le flux de travail. Une fois que tous les paramètres appropriés sont calculés à travers le processus automatisé, AutosolvateWeb soumet les résultats à un supercalculateur de la National Science Foundation pour créer la simulation.
Le supercalculateur renvoie un fichier de trajectoire. L'utilisateur peut télécharger ce fichier et utiliser un logiciel open-source pour transformer le fichier en un film 3D de sa simulation demandée.
Voir est croire – et comprendre
AutosolvateWeb est sur le point d'améliorer comment la chimie est enseignée.
« Alors que les ordinateurs deviennent de plus en plus puissants, ils deviennent plus importants pour la recherche scientifique », explique Ren. « Les étudiants en chimie de premier cycle doivent se familiariser avec les simulations informatiques afin qu'ils puissent suivre le rythme des progrès de la façon dont la recherche est effectuée. »
Il cite le solvatochromisme, une technique pour analyser la composition des produits chimiques dans un liquide, comme exemple de la puissance des simulations informatiques pour l'éducation.
Les étudiants de premier cycle apprennent généralement le solvatochromisme dans les expériences de laboratoire en dissolvant un soluté connu sous le nom de colorant de Riechart dans différents solvants. La solution devient bleue, rouge, vert ou jaune selon la façon dont les molécules de soluté absorbent la lumière.
L'explication la plus simple de ce phénomène est que les variations de couleur sont dues à des variations de la polarité d'un solvant. Les changements de polarité stabilisent l'état fondamental d'une molécule différemment, ce qui affecte à son tour le pic d'absorption d'une molécule le long de la longueur d'onde de la lumière.
Ce qui est plus difficile à expliquer, ce sont des exceptions à cette règle. Parfois, des solvants de polarités similaires produisent des couleurs différentes en raison de la façon dont les liaisons hydrogène se forment entre le soluté et le solvant.
« Pour bien comprendre comment la liaison hydrogène joue un rôle particulier dans cette situation, les étudiants doivent exécuter une simulation informatique », explique Liu. « Voir, c'est croire. Vous devez regarder directement la structure en mouvement afin que vous puissiez comprendre les choses à l'échelle microscopique. »
De telles visualisations détaillées aident les élèves à apprendre à penser de manière critique, dit-elle, afin qu'ils puissent aller au-delà de la mémorisation des concepts dans les manuels pour faire et analyser leurs propres découvertes.
« En science, nous ne voulons pas simplement comprendre ce qui se passe », ajoute Ren. « Nous voulons savoir pourquoi cela se produit. »
Petites molécules, big data
Liu et ses collègues s'efforcent désormais d'étendre la gamme de systèmes chimiques que AutosolvateWeb peut simuler, allant au-delà des limites telles que les molécules organiques uniques comme soluté.
Ils améliorent également la capacité de la plate-forme non seulement à générer des données, mais à stocker et à échanger librement ces données à travers la communauté de chimie dans un format open-source.
Les chercheurs espèrent que leur travail pionnier pour démocratiser la recherche en chimie informatique inspirera des initiatives similaires à travers les sciences naturelles.
Leur objectif ultime, explique Ren, est d'aider à connecter l'IA dans divers domaines de la science fondamentale, renforçant la puissance de la recherche interdisciplinaire.
