Künstliche Intelligenz (KI) und Algorithmen für maschinelles Lernen werden heute routinemäßig verwendet, um unser Kaufverhalten vorherzusagen, Reiserouten vorzuschlagen oder Bilder und Gesichter zu erkennen. In der Forschung etabliert sich KI gerade als ein entscheidendes Instrument zur Unterstützung von wissenschaftlichen Entdeckungen. So wird KI in der Chemie immer häufiger eingesetzt, um die Ergebnisse von Experimenten oder Simulationen vorherzusagen. Um dies zu erreichen, muss KI in der Lage sein, die grundlegenden Gesetze der Physik systematisch mit einzubeziehen. Ein interdisziplinäres Team von Wissenschaftlern der Universität Warwick, der TU Berlin und der Universität Luxemburg hat jetzt einen KI-Algorithmus entwickelt, der es unter anderem erlaubt, anhand der gewünschten chemischen Eigenschaften einer Substanz, die dafür notwendige Struktur zu bestimmen. Eine Fähigkeit, die besonders bei der Entwicklung von neuartigen Medikamenten und Materialien eine wichtige Rolle spielen könnte.
Der von den Chemikern, Physikern und Informatikern entwickelte Algorithmus ist in der Lage, die Quantenzustände eines Moleküls, die sogenannte Wellenfunktion, die alle Eigenschaften dieses Moleküls bestimmen, zu berechnen. Dazu musste die KI lernen, grundlegende Gesetze der Physik zu verinnerlichen und Gleichungen der Quantenmechanik - wie zum Beispiel die Schrödingergleichung - zu lösen.
Das Lösen dieser und ähnlicher Gleichungen auf herkömmliche Weise erfordert enorme Rechnerkapazitäten und vor allem auch Monate an Rechnerzeit. „Genau hier liegt normalerweise der Engpass bei der rechnergestützten Entwicklung neuer, speziell für medizinische und industrielle Anwendungen entwickelter Moleküle“, so Prof. Dr. Klaus-Robert Müller, Professor für maschinelles Lernen an der TU Berlin. Der neu entwickelte Algorithmus kann dagegen auf einem Laptop oder Mobiltelefon innerhalb von Sekunden genaue Vorhersagen liefern.
„Die Veröffentlichung ist das Ergebnis einer dreijährigen gemeinsamen Anstrengung und erforderte Informatik-Know-how, um einen Algorithmus zu entwickeln, der flexibel genug ist, um die Form und das Verhalten von Wellenfunktionen zu erfassen, aber auch Chemie- und Physik-Know-how, um quantenchemische Daten zu verarbeiten und dazustellen“, so Dr. Reinhard Maurer vom Fachbereich Chemie der Universität Warwick.
Klaus-Robert Müller ergänzt: „Diese interdisziplinäre Arbeit ist ein wichtiger Fortschritt, denn sie zeigt, dass KI-Methoden die schwierigsten Aspekte der quantenchemischen Simulation erlernen können. Dazu gehört auch das sogenannte inverse Design, das besonders für die Medikamentenherstellung ein langjähriger Traum der Pharmakologie und der Chemie ist.“ Von inversem Design spricht man, wenn man eine bestimmte chemische Eigenschaft eines Moleküls vorgibt und aus diesen Vorgaben die entsprechende molekulare Struktur entwirft und optimiert. Das interdisziplinäre Team geht davon aus, dass sich KI-Methoden zukünftig weiter als wesentlicher Bestandteil in der Computerchemie und der Molekularphysik etablieren werden und auch nachhaltig das inverse molekulare Design ermöglichen werden.
„Diese Arbeit ermöglicht eine neue Ebene des Wirkstoffdesigns, bei der sowohl die elektronischen als auch die strukturellen Eigenschaften eines Moleküls zusammengeführt werden können, um die gewünschten Anwendungskriterien zu erreichen“, so Professor Dr. Alexandre Tkatchenko vom Fachbereich Physik der Universität Luxemburg.
Grüner Wasserstoff für die Massenproduktion
Für die erfolgreiche Demonstration einer neuartigen alkalischen Elektrolyse wurde Prof. Dr. Peter Strasser, Leiter des Fachgebiets Elektrochemie und Elektrokatalyse, gemeinsam mit seinem Team und Kolleg*innen der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg mit dem „f-cell“ Award in der Kategorie „F ... mehr
Bis zu 10 Millionen Euro Förderung für Transfer im Bereich Grüne Chemie
Ein Konsortium aus insgesamt 29 Partner*innen erhält für das Konzept GreenCHEM eine Förderung in Höhe von bis zu 10 Millionen Euro vom Bundesministerium für Bildung und Forschung, um die Hauptstadtregion zum internationalen Hotspot für chemische Deep-Tech Innovationen weiterzuentwickeln Zum ... mehr
Neuer KI-Algorithmus generiert innovative Substanzen auf Basis von gewünschten Eigenschaften
In der Medizin, in der Batterieforschung oder in der Materialwissenschaft – überall sind Wissenschaftler*innen auf der Suche nach innovativen Substanzen. Dabei können die Forscher*innen oft sehr detailliert die gewünschten chemischen und physikalischen Eigenschaften bis auf die atomare Eben ... mehr
Grundlage vieler Medikamente sind Wirkstoffe aus chiralen Bausteinen. Für die chemische Herstellung sind teure Edelmetallkatalysatoren notwendig, die sich aufgrund ihrer thermischen Instabilität bei höheren Temperaturen zersetzen und daher nur einmal verwendet werden können. mehr
Wo der Laie nur ekligen Schimmel sieht, offenbart sich beim Blick durch das Mikroskop eine ganz besondere Welt der Ästhetik. Ein filigranes Netzwerk aus lang gestreckten und verzweigten Pilzhyphen durchsetzt das Substrat, Lufthyphen erobern den Luftraum und bilden farbige Sporen, mit dene ... mehr
Jg. 1980, studierte Chemie an der Technischen Universität Berlin. Sie promovierte 2010 in der Arbeitsgruppe von Prof. R. Schomäcker über die Reaktionsführung der Suzuki-Kupplung in Mikroemulsionen mit dem Ziel des Katalysator Re-using und der Produktisolierung. 2011 bis 2012 arbeitete sie ... mehr
Jg. 1980, studierte Wirtschaftsingenieurwesen / Technische Chemie an der Technischen Universität Berlin. Von 2006 bis 2011 erhielt sie verschiedene Forschungsstipendien im Bereich der homogenen chiralen Katalyse. 2011 bis 2012 war sie Projektleiterin eines Drittmittelprojekts zum Thema „Ka ... mehr
Vera Meyer, geb. 1970, studierte Biotechnologie an der Universität Sofia und der Technischen Universität Berlin, wo sie 2001 promovierte. Nach Forschungs- aufenthalten am Imperial College London und der Universität Leiden habilitierte sie 2008 an der Technischen Universität Berlin. Von 200 ... mehr
Wissenschaftler der University of Warwick haben eine Methode zur Herstellung wichtiger chemischer Bausteine für die pharmazeutische und agrochemische Industrie entwickelt, die der pflanzlichen Produktion nachempfunden ist. Die Wissenschaftler haben Bakterien geschaffen, die Moleküle "verdau ... mehr
Effizientes "Anschalten" von Bakterien zur Produktion hochwertiger Chemikalien
Hochwertige Chemikalien, die in Biokraftstoffen und Pharmazeutika verwendet werden, können aus Bakterien hergestellt werden, indem man ihre Chemie umschaltet, um neuartige Produkte herzustellen. Forscher der University of Warwick haben einen Weg gefunden, die Kosten für das Einschalten dies ... mehr
Digitalisierte Chemie mit einem smarten Rührstab
Miniaturisierte Computersysteme und drahtlose Technologie bieten Wissenschaftlern neue Möglichkeiten, Reaktionen zu verfolgen, ohne größere, schwerfällige Geräte zu benötigen. In einer Proof-of-Concept-Studie in ACS Sensors beschreiben Forscher ein kostengünstiges neues Gerät, das wie ein h ... mehr
Prof. Alexandre Tkatchenko und sein Forschungsteam an der Universität Luxemburg haben Zuschüsse in Höhe von insgesamt 500.000 Euro für die Forschung auf dem Gebiet des maschinellen Lernens für Entdeckungen in der Chemie erhalten. Die Entdeckung und Entwicklung neuer Medikamente, antiviraler ... mehr
Strukturfarben aus Cellulose-Polymeren
Klare Oberflächen erscheinen farbig, wenn winzige, regelmäßige Strukturelemente darin Licht reflektieren. Forscher haben jetzt eine Methode entwickelt, um derartige Strukturfarben aus einem cellulosebasierten Polymer herzustellen. Dafür verwendeten sie beschichtete Tröpfchen, die sich in an ... mehr
20 Jahre alte Annahmen bei der Solarzellenherstellung widerlegt
Ein von der Universität Luxemburg geleitetes Forschungsprojekt untersuchte das Herstellungsverfahren von Solarzellen. Die Forscher konnten nachweisen, dass Annahmen über die chemischen Prozesse, die über die letzten 20 Jahre bei Forschern und Herstellern weitverbreitet waren, unzutreffend s ... mehr
