Physics-Based Molecular Fingerprints from Spectral Graph Theory Provide Efficient Geometry-Aware Measures of Chemical Similarity

कल्पना कीजिए कि आप अपने एक दोस्त को एक जटिल लेगो (Lego) महल का वर्णन करने की कोशिश कर रहे हैं जो देख नहीं सकता। यदि आप उसे केवल हर एक ईंट का रंग और आकार बताते हैं और वे एक सपाट ड्राइंग में कैसे आपस में जुड़ते हैं, तो आपने एक "ब्लूप्रिंट" (खाका) बताया है। लेकिन आपने यह नहीं बताया कि वह महल एक ऊँचा शिखर है या एक चपटा पैनकेक, या कोई गुप्त दरवाजा खुला है या बंद। रसायन विज्ञान की दुनिया में, वैज्ञानिक लंबे समय से इन "ब्लूप्रिंट्स" पर निर्भर रहे हैं—परमाणुओं के जुड़ने के सपाट, द्वि-आयामी (2D) मानचित्र। ये मानचित्र सरल अणुओं के लिए तो अच्छे हैं, लेकिन वे वास्तविक, त्रि-आयामी (3D) दुनिया के मामले में बुरी तरह विफल हो जाते हैं। दो अणुओं का ब्लूप्रिंट बिल्कुल एक जैसा हो सकता है, लेकिन वे पूरी तरह से अलग आकारों में मुड़ सकते हैं, जैसे एक बाएं हाथ का दस्ताना और एक दाएं हाथ का दस्ताना। सपाट मानचित्र के लिए, वे समान दिखते हैं, लेकिन वास्तव में, एक जीवन रक्षक दवा हो सकती है और दूसरा जहर।

द दशकों से, वैज्ञानिक इन 3D आकारों को तेजी से और सटीक रूप से वर्णित करने का तरीका खोजने के लिए संघर्ष कर रहे हैं। पुराने तरीके या तो बहुत धीमे हैं (जैसे हर अणु के हर कोण को हाथ से मापने की कोशिश करना) या बहुत भ्रमित करने वाले हैं (जैसे कि एक 'ब्लैक-बॉक्स' कंप्यूटर प्रोग्राम का उपयोग करना जो उत्तर तो देता है लेकिन यह नहीं बताता कि क्यों)। यह एक बहुत बड़ी समस्या है क्योंकि यदि हम एक जैसे दिखने वाले अणुओं के बीच अंतर नहीं कर सकते, तो हम यह अनुमान नहीं लगा सकते कि वे कैसे व्यवहार करेंगे, कैसे प्रतिक्रिया करेंगे, या बीमारियों को ठीक करने में कैसे मदद करेंगे। हमें अणुओं के लिए एक नए प्रकार के "आईडी कार्ड" की आवश्यकता है जो उन्हें बहुत अधिक समय लिए बिना उनके वास्तविक 3D व्यक्तित्व को पकड़ सके।

यहाँ एमआईटी (MIT) और स्टटगार्ट विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने एक चतुर नया तरीका पेश किया है जिससे वे "स्पेक्ट्रल ग्राफ थ्योरी" नामक गणित की एक शाखा का उपयोग करके अणुओं की उंगलियों के निशान (fingerprints) बना सकते हैं। एक अणु को एक स्थिर वस्तु के रूप में नहीं, बल्कि कनेक्शनों के एक विशाल, अदृश्य जाल के रूप में सोचें। इस नए सिस्टम में, प्रत्येक परमाणु इस जाल में एक 'नोड' है, और उनके बीच का स्थान अदृश्य बलों से भरा है—जैसे छोटे चुंबक जो खींच और धकेल रहे हों। वैज्ञानिक गणना करते हैं कि यदि यह जाल एक संगीत वाद्ययंत्र होता, तो यह किन "कंपनों" या "सुरों" को उत्पन्न करता। जिस तरह एक गिटार के तार के पास बजाने के लिए सुरों का एक विशिष्ट सेट होता है, उसी तरह हर अणु का एक अनूक गणितीय "सुरों" (जिन्हें आइगेनवैल्यू कहा जाता है) का सेट होता है जो उसके आकार और उन भौतिक बलों का वर्णन करता है जो उसे थामे हुए हैं।

यह शोध पत्र इन "स्पेक्ट्रल फिंगरप्रिंट्स" को पेश करता है, जो अनिवार्य रूप से इन गणितीय सुरों की एक संक्षिप्त सूची है। इस पद्धति की सुंदरता यह है कि यह अविश्वसनीय रूप से तेज़ है और इसे इस बात से कोई फर्क नहीं पड़ता कि आप अणु को कैसे घुमाते हैं या आप किस परमाणु को "नंबर एक" कहते हैं। यह एक साथ पूरी तस्वीर देखता है। शोधकर्ताओं ने साधारण कार्बनिक रिंगों से लेकर विशाल प्रोटीन मशीनों तक सब पर इसका परीक्षण किया और पाया कि यह उन अणुओं के बीच अंतर कर सकता है जो एक सपाट मानचित्र पर समान दिखते हैं लेकिन 3-डी स्थान में पूरी तरह से अलग होते हैं। उदाहरण के लिए, इसने साइक्लोहेक्सेन अणु के "चेयर" (कुर्सी) और "बोट" (नाव) आकारों के बीच सफलतापूर्वक अंतर किया और यहाँ तक कि जीवन रक्षक दवा सिस्प्लेटिन (cisplatin) और उसके निष्क्रिय जुड़वां ट्रांसप्लेटिन (transplatin) के बीच भी अंतर बताया।

जब उन्होंने सैकड़ों हजारों अणुओं वाले विशाल डेटाबेस को छाँटने के लिए इन फिंगरप्रिंट्स का उपयोग किया, तो यह सिस्टम पूरी तरह सफल रहा। इसने जटिल अकार्बनिक धातुओं और जैविक प्रणालियों के लिए भी पुराने तरीकों की तुलना में समान रसायनों को बेहतर ढंग से समूहीकृत किया, जो आमतौर पर अन्य सॉफ़्टवेयर को तोड़ देते हैं। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि ये फिंगरप्रिंट्स मशीन लर्निंग के लिए एक "क्रिस्टल बॉल" (भविष्य बताने वाला गोला) के रूप में भी काम कर सकते हैं। यह देखकर कि एक नया अणु उन अणुओं के कितने करीब है जिन्हें कंप्यूटर पहले से जानता है, सिस्टम यह अनुमान लगा सकता है कि भविष्यवाणी कितनी विश्वसनीय होगी, जिससे मॉडल द्वारा सीखने की कोशिश करने से पहले ही कठिन मामलों को चिह्नित किया जा सके।

संक्षेप में, यह शोध पत्र सुझाव देता है कि यह नया स्पेक्ट्रल दृष्टिकोण एक शक्तिशाली, तेज़ और व्याख्या योग्य उपकरण है। यह केवल अनुमान नहीं लगाता; यह अणुओं के बीच परस्पर क्रिया करने वाले वास्तविक भौतिकी का उपयोग करके प्रत्येक अणु के लिए एक अद्वितीय हस्ताक्षर बनाता है। हालांकि इसके पीछे का गणित जटिल है, लेकिन परिणाम सरल है: हर अणु की वास्तविक 3D आत्मा को तुरंत देखने का एक तरीका, जिससे वैज्ञानिकों को शोर में खोए बिना विशाल रासायनिक पुस्तकालयों को छानने और बेहतर सामग्री एवं दवाएं डिजाइन करने में मदद मिलती है।