Informática química
, no había ningún nombre adecuado. Los químicos activos en este campo siempre se refieren a sí mismos como trabajando en el campo de la "información química". Sin embargo, debido a este nombre, es difícil separar el trabajo de procesamiento de literatura química de la investigación de desarrollo de métodos informáticos para procesar información química. Por eso, algunos químicos la llaman "química informática" para enfatizar la importancia de utilizar la tecnología informática para procesar información química. Pero este nombre puede confundirse fácilmente con los cálculos químicos teóricos, también conocidos como "química computacional".
En 1973, un seminario celebrado en la Escuela de Verano del Instituto de Estudios Avanzados de la OTAN en Noordwijkhout, Países Bajos, reunió por primera vez a científicos que trabajaban en diferentes campos de la química, pero todos utilizaron métodos informáticos para procesar información química, o utilizar tecnología informática para derivar conocimientos a partir de datos químicos. El título de este taller es "Representación y procesamiento informático en quimioinformática". Los científicos que participan en este encuentro se dedican principalmente a la investigación sobre bases de datos de estructuras químicas, diseño de síntesis orgánica asistido por ordenador, análisis de información espectral y quimiometría, o el desarrollo de software de simulación molecular. Durante el seminario, estos químicos se dieron cuenta de que había surgido un nuevo campo de investigación, implícito en varias ramas de la química.
Desde entonces, los métodos informáticos y de computación utilizados para resolver problemas químicos han entrado silenciosamente en varios campos de la química.
La aparición del término "quimioinformática" es relativamente reciente. Aquí está la definición más antigua: "La aplicación de tecnología de la información y métodos de procesamiento de información se ha convertido en una parte muy importante del proceso de descubrimiento de fármacos. La quimioinformática es en realidad una combinación de fuentes de información. Puede transformar datos en información y luego convertir la información en conocimiento". para hacer que nuestras decisiones en la identificación y organización de fármacos sean más eficientes." - Brown Medicinal Chemistry, 1998, 33, 375-384. "Quimioinformática: un nuevo término para un viejo problema" - M. Hane, R. Green. Biología Química, 1999, 33, 375-384. Quimioinformática es un término amplio que incluye el diseño, producción, organización, procesamiento, recuperación, análisis, difusión y uso de información química. -g. París (Reunión de la Sociedad Química Estadounidense, agosto de 1999).
Edite el contenido de investigación de este párrafo.
1. Registro compuesto. Esto incluye combinar dinámicamente los parámetros estereoquímicos de cada compuesto, datos espectrales relevantes (como NMR), datos de pureza (como HPLC), diversas mediciones de actividad biológica y otros datos relevantes en una base de datos.
2. Herramientas y técnicas de investigación de las relaciones estructura-actividad. Esto incluye la aplicación de varios programas informáticos para construir diversos modelos de relación estructura-actividad, en los que se utilizan varios métodos quimiométricos (como el análisis de regresión estadística múltiple). Un modelo de relación estructura-actividad es una correlación caracterizada numéricamente entre una estructura molecular y su actividad biológica. La investigación QSAR tradicional consiste en conectar libremente varias variables independientes, es decir, medir la similitud con valores numéricos simples. Sin embargo, la medición de la similitud entre estructuras químicas es relativamente compleja y las estructuras químicas solo se pueden medir y comparar en un determinado espacio de descripción. Cómo describir moléculas químicas es un área de investigación muy activa. Sólo en un espacio de descripción correcto y eficaz será posible medir objetivamente las similitudes y diferencias entre moléculas, realizando así un cribado intencionado y obteniendo una biblioteca de moléculas diana ideal. Actualmente, muchas personas están estudiando la caracterización de moléculas mediante huellas dactilares de farmacóforos bidimensionales, tridimensionales o incluso de dimensiones superiores. Es completamente diferente de la expresión tradicional de energía libre y el efecto es más intuitivo. También se utilizan ampliamente nuevos métodos de descripción, como los árboles de características.
3. Tecnología de ensamblaje de bases de datos virtuales. Combina estructuras moleculares químicas y fragmentos de varios elementos mediante métodos de química computacional, sintetiza virtualmente una gran cantidad de compuestos candidatos y luego selecciona objetivos en una biblioteca de compuestos virtual de este tipo.
Quimioinformática
Moléculas de fármacos. El trabajo anterior incluye el diseño de bibliotecas computacionales utilizando factores de descripción apropiados y los algoritmos correspondientes. Vale la pena señalar que las bibliotecas computacionales eficientes suelen desempeñar un papel clave en el diseño molecular. Los algoritmos genéticos se han convertido en una herramienta importante para diseñar bibliotecas computacionales, que pueden optimizar las propiedades de cada propiedad química computacional en una biblioteca virtual para aproximarse de manera óptima al objetivo. Clem y otros profundizaron en los antecedentes y la extensión del diseño de bibliotecas, mientras que Drewry y Young resumieron exhaustivamente varios enfoques del diseño de bibliotecas. Para la selección de monómeros se aplicaron métodos basados en fragmentos activos conocidos (contra el receptor diana). La experiencia muestra que el diseño de bibliotecas debe basarse en propiedades químicas computacionales en el espacio del producto en lugar de en el espacio del monómero. Esto requiere una tecnología de síntesis virtual compuesta eficaz, que incluya: 1. Marca de fragmento, 2. Tecnología de simulación de reacciones de síntesis. Los químicos sintéticos suelen preferir lo último, pero es más rápido utilizar lo primero cuando se han identificado todos los fragmentos de la molécula. Los sistemas híbridos también se utilizan en el diseño de bibliotecas. Todos estos métodos requieren el cálculo de las propiedades físicas y químicas de los compuestos mediante modelos. James F Blake [18] revisó los modelos de predicción para diversos valores de rendimiento de los fármacos, como la adsorción, la penetración, la solubilidad en agua, etc.
4. Tecnología de minería de bases de datos. Esto es principalmente para encontrar las moléculas de fármaco requeridas a partir de una gran cantidad de moléculas de fármaco candidatas, generalmente a través de la subestructura, medición de similitud 2D o 3D, forma molecular, estructura, farmacóforo, etc. , o detectar fármacos en un espacio tridimensional basándose en la estructura tridimensional entre receptores y ligandos. La eficacia de la tecnología minera depende de la comprensión de la molécula objetivo, como su estructura tridimensional y sus propiedades químicas, y también depende de las herramientas de minería, como la velocidad de cálculo; Seleccionar un subconjunto del espacio de descripción de características multidimensionales como un conjunto representativo es el llamado cribado virtual molecular. Al estudiar el conjunto de datos, Bayada et al. concluyeron que la huella digital 2D de Ward mejoró más para la selección aleatoria; sin embargo, en otro estudio, se encontró que el espacio de descriptor químico dividido es adecuado para la selección de diferentes subconjuntos, lo que se resuelve con .
Informática química
Tecnología de clustering. Deborah K. et al. utilizaron el método de segmentación recursiva para detectar fármacos y lo aplicaron a la prueba del receptor dual de proteína 14g.
5. Métodos y técnicas estadísticas. Los métodos estadísticos como el análisis de componentes principales y el análisis factorial se utilizan ampliamente para reducir la dimensionalidad de los descriptores moleculares, haciendo que la expresión de información molecular sea más simple y efectiva y reduciendo la complejidad computacional.
Titulación.
6. Visualización de datos a gran escala. En la investigación en informática química, es necesario expresar modelos de relación estructura-actividad de miles de moléculas. El análisis se facilitará si los datos se filtran y se expresan automáticamente en forma de cuadros y gráficos mediante un programa informático.
Edite este párrafo de aplicación disciplinaria
Los últimos avances de la ciencia moderna han hecho que los sistemas de sustancias químicas a los que se enfrentan diversas disciplinas sean cada vez más complejos, y las tareas de la investigación de identificación se han vuelto más complejas. y más difícil, incluido el análisis cualitativo y cuantitativo de componentes complejos, incluida la identificación de patrones químicos inciertos. No solo existen problemas de gestión de bases de datos a gran escala, sino también problemas de descubrimiento de patrones de datos, etc. La informática química es una nueva disciplina formada al combinarse con otras disciplinas relacionadas para resolver una gran cantidad de tareas de procesamiento de datos y extracción de información en el campo de la química. Esta nueva disciplina evolucionó y se desarrolló sobre la base de la quimiometría y la química computacional [3], absorbiendo e integrando la esencia de muchas disciplinas.
Con el desarrollo de la quimiometría y la introducción de la tecnología informática, los químicos pueden obtener fácilmente una gran cantidad de datos químicos. Por ejemplo, las personas pueden obtener una serie de datos como la altura del pico, la posición del pico y el área del pico del sistema de adquisición de datos por computadora del instrumento analítico sin saber nada sobre la muestra. Sin embargo, no es lo mismo datos que información, especialmente información valiosa. Por lo tanto, cómo procesar y analizar rápidamente datos de mediciones químicas utilizando herramientas informáticas y métodos de procesamiento de información modernos se ha convertido en una necesidad muy urgente. En este contexto surgió la quimiometría, que aplica las matemáticas, la estadística y la tecnología informática a la química. Como nueva tecnología que estaba en auge en la década de 1980, utilizó las matemáticas.
Informática química
, estadística, tecnología informática y otras herramientas para diseñar o seleccionar el mejor método de medición química, procesar y analizar datos de medición química e intentar maximizar la extracción de información químicamente relevante. sobre el sistema de sustancias a probar.
En la investigación de la química analítica, Gao Hong predijo que llegaría la era de combinar la química analítica con la estadística y las matemáticas. Como ciencia quimiométrica, la química analítica implica el procesamiento y análisis de datos desde el muestreo, el diseño experimental hasta las señales analíticas estudiadas en quimiometría, así como métodos estadísticos y matemáticos para la extracción y utilización de información química. La quimiometría ha hecho importantes contribuciones al desarrollo de teorías básicas de la química analítica moderna, y básicamente ha formado la teoría de la información analítica, la teoría del muestreo analítico, la teoría del diseño experimental y la optimización analíticos, la teoría de la detección analítica, la teoría de la calibración analítica, la tecnología de procesamiento de señales de instrumentos analíticos, la química. Las bases de datos y la tecnología de sistemas expertos han enriquecido enormemente las herramientas teóricas y técnicas de la química analítica moderna.
Además, la quimiometría se ha utilizado ampliamente en la producción industrial. Por ejemplo, el método de calibración multivariante se ha convertido en un método de seguimiento de rutina en la producción de cerveza y en la fabricación de productos farmacéuticos; también se utiliza en el seguimiento de procesos en la fabricación de papel, la industria química, la alimentación, las bebidas, los cosméticos y otras industrias. Recientemente, estos métodos también se han utilizado para monitorear procesos de producción por lotes, como la fermentación bioquímica y las obleas semiconductoras. Hasta la fecha, las aplicaciones más exitosas de la quimiometría han sido la calibración multivariada, el modelado cuantitativo de relaciones estructura-actividad, el reconocimiento de patrones químicos y la simulación y monitoreo de procesos multivariados. Sin embargo, a medida que se amplía su ámbito de aplicación, los objetos de investigación se vuelven cada vez más complejos y la cantidad de datos que deben procesarse aumenta cada vez más. Por ejemplo, en la selección virtual de compuestos líderes en el campo del diseño de fármacos, el número de compuestos a procesar llega a 1.040. Obviamente, la quimiometría tradicional ya no es competente para el cálculo y análisis de problemas químicos complejos en farmacología, ciencias biológicas, ciencias ambientales, ciencias de materiales y otros campos. Existe una necesidad urgente de derivar y desarrollar una nueva disciplina que incluya la quimiometría misma. Ésta es una razón importante para el rápido aumento de la informática química.
El desarrollo de la química computacional La química computacional surgió en respuesta a la demanda de análisis cuantitativo de datos químicos. Proporciona herramientas para el cálculo de datos y el análisis de información para la informática química. A medida que se profundiza en la comprensión, la mayoría de los objetos en el campo de la química pueden abstraerse y representarse mediante ciertos modelos matemáticos. La solución del modelo requiere el uso de diversos medios matemáticos. Por lo tanto, la disciplina de la química tiene requisitos cada vez mayores para los cálculos científicos. Por ejemplo, se pueden modelar diversas reacciones químicas utilizando determinadas ecuaciones diferenciales, y sus reacciones, transferencias y otros procesos se pueden simular utilizando modelos matemáticos. Pero resolver ecuaciones diferenciales conlleva mayores requisitos computacionales. Por lo general, una gran cantidad de ecuaciones diferenciales no se pueden resolver mediante derivación teórica y es necesario encontrar soluciones aproximadas mediante cálculos numéricos. De manera similar, en el mundo microscópico, con la profundización de nuestra comprensión de la estructura molecular, podemos simular el estado de las moléculas a través de varios modelos matemáticos, como la ecuación de Schrödinger, que puede simular el estado de movimiento de las nubes de electrones mediante simulación molecular cuántica; Mecánica, dinámica molecular. Se utilizan varios métodos, como la mecánica estadística, para completarlo con precisión. Esto significa que la investigación química moderna necesita construir más modelos y resolver problemas informáticos más científicos.
Con el desarrollo de la ciencia y la tecnología, las personas han profundizado gradualmente su comprensión del mundo objetivo y han resumido constantemente el conocimiento regular en diversos campos de investigación, lo que ha hecho posible establecer varios modelos. Con el desarrollo de la ciencia actual, la gente se ha vuelto cada vez más inclinada a ver, comprender y resolver problemas desde una perspectiva matemática. Por lo tanto, el advenimiento de la química computacional ha impulsado en gran medida el desarrollo moderno de la química y disciplinas afines, convirtiéndose en un soporte técnico y una poderosa herramienta para la resolución de problemas complejos en el campo de la química. En términos generales, la química computacional debe cumplir dos requisitos básicos: 1. Resolver problemas con precisión; 2. Resolver problemas rápidamente. De modo que la química computacional se ha ido desarrollando en estas dos direcciones. Por un lado, incluye métodos de análisis estadístico multivariante (como PLS, PCA, análisis discriminante, análisis de conglomerados, análisis factorial, análisis de regresión, etc.) y métodos de inteligencia artificial (como reconocimiento de patrones, ANN, algoritmos genéticos, sistemas expertos). , etc.) para completar tareas químicas de modelado preciso de objetos, por otro lado, incluye tecnología de bases de datos, algoritmos de búsqueda rápida, tecnología de computación paralela y otros métodos para mejorar la velocidad de computación.
La importancia de editar este párrafo
Nuevas tareas en la construcción curricular actual
En los últimos años, algunas universidades extranjeras están tratando de agregar sistemáticamente la informática química a la educación química. curso. El desarrollo de la informática química promoverá la reforma del modelo tradicional de educación química. En 2003, Johann Gasteiger publicó el libro "Un libro de texto sobre informática química", que presenta de forma sistemática, completa y sencilla diversos campos de investigación de la informática química, así como su estado de investigación y las tendencias de desarrollo futuras. En mi país, el Comité Directivo de Enseñanza de Ciencias y Química del Ministerio de Educación ha incluido la informática química como un contenido básico de la enseñanza de química para estudiantes de química y estudiantes de química aplicada en colegios y universidades. En la actualidad, la informática química es un curso de enseñanza emergente, y sus requisitos, contenido, métodos de enseñanza y materiales didácticos se han convertido en nuevos temas en la construcción de cursos. La enseñanza de la informática química en el extranjero se basa principalmente en una docencia profesional, con una fuerte transversalidad y amplia cobertura. Sin embargo, debido a la limitación de horas de clase, el contenido de enseñanza de la informática química en mi país se basa principalmente en literatura química. Este método tradicional de obtener información obstaculiza seriamente los horizontes de desarrollo de los estudiantes, restringe su capacidad para obtener nueva información y no favorece el desarrollo de la personalidad de los estudiantes ni el desarrollo a largo plazo. Este es un comportamiento miope que pone el carro delante del caballo. Incluso entre los estudiantes de química de las escuelas vocacionales superiores, la informática química se considera un curso prescindible. Creen que lo más importante es enseñar a los estudiantes habilidades básicas para que puedan encontrar la ingeniería en poco tiempo, mientras se descuida gravemente su desarrollo personal a largo plazo. Esta filosofía educativa es incompatible con la intención original de la educación superior y debe cambiarse y corregirse a tiempo.
Los estudiantes de formación profesional superior aportan soluciones a los problemas.
La investigación química tiene principalmente tres objetos de investigación: determinación de estructuras, diseño molecular y diseño sintético. La investigación en quimioinformática se centrará en la cultura. Los tres principales objetos de investigación de la ciencia llevan a cabo métodos relevantes de simulación por computadora y su investigación de aplicaciones: determinación de estructuras asistida por computadora, diseño molecular asistido por computadora y diseño sintético asistido por computadora. Tiene su propio método único para resolver problemas químicos, que se pueden dividir en tres categorías: basado en datos, basado en lógica y basado en principios. La primera categoría se refiere principalmente al establecimiento de varios sistemas de gestión de bases de datos y bases de datos y el uso de datos. La segunda categoría se refiere principalmente al uso de datos en bases de datos existentes y, sobre esta base, el uso de inducción, razonamiento, clasificación y otros; métodos para transformar los datos en conocimiento y gestionar eficazmente el conocimiento para que pueda utilizarse ampliamente. Finalmente, se puede utilizar para resolver problemas químicos prácticos; la tercera categoría utiliza principalmente teorías químicas cuánticas existentes para estudiar problemas químicos relacionados. Entre ellos, los dos primeros métodos se centran en el análisis y procesamiento de una gran cantidad de información química (completa), y su núcleo radica en el análisis y comparación de estructuras químicas, métodos de análisis y procesamiento de propiedades físicas y químicas relacionadas, y aplicaciones. investigación. El tercer método se centra principalmente en el análisis preciso de las propiedades relevantes de compuestos individuales y el estudio de sus aplicaciones. La combinación razonable de estos tres métodos promoverá la innovación continua de los métodos de investigación en química y los métodos de producción en la industria. Al mismo tiempo, es la base de la química verde y la industria química verde, un puente que conecta la química y la industria química para servir al desarrollo sostenible de la economía nacional y uno de los métodos eficaces para lograr la innovación química. De los tres métodos se puede ver que la aplicación de los dos primeros aspectos por parte de los estudiantes de formación profesional superior será muy importante.
Mejorar la integración del contenido de la información por parte de los estudiantes
La información actual tiene cuatro características: gran cantidad de información, amplia extensión, rápida velocidad de difusión y fuerte funcionalidad cruzada. El registro, la organización y el intercambio de esta información desempeñan un papel cada vez más importante en la promoción del desarrollo de la química y se han convertido en una parte importante de la química. La información química se puede dividir en dos partes, a saber, información química de sustancias químicas e información química en forma de medios. El primero se refiere a información relacionada con componentes químicos medidos utilizando principios y métodos científicos, como propiedades físicas y químicas de sustancias, información cualitativa y cuantitativa, información estructural, etc. de cada componente de la sustancia. Este último es una forma de registro de información química, como libros, revistas, patentes, etc. La difusión de información química permite a los químicos disfrutar de los principios, métodos y resultados de las mediciones. Si los estudiantes quieren aprovechar al máximo los datos y resultados de medición útiles, primero deben aprender a integrar el contenido de la información y mejorar su capacidad integral para integrar información. No puedes desechar información útil ni utilizar información falsa. En segundo lugar, debemos aprender a expresar, gestionar, transformar y utilizar la información química.
El medio más avanzado en la actualidad es utilizar computadoras para representar y administrar información química, porque las computadoras pueden guardar, leer, calcular y generar fácilmente símbolos digitales de información de datos. Al mismo tiempo, las computadoras también pueden expresar información estructural en información química mediante codificación lineal. Y puede garantizar la unicidad y ambigüedad de la información estructural. La informática química se ha introducido y elaborado en detalle desde los conceptos básicos de las computadoras e Internet, hasta la recuperación de literatura en línea, los recursos y el uso de bases de datos, la expresión de información y el análisis de wavelets, y ya no es el sentido estrecho original de recuperación de información. Esta materia interdisciplinaria equipará a los estudiantes con habilidades completas para analizar, procesar, transformar y utilizar información. Es decir, la capacidad de integrar información de manera integral.
Cultivar la alfabetización informacional de los estudiantes
La alfabetización informacional es una habilidad integral que involucra el contenido, la difusión, el análisis, la recuperación y la evaluación de la información. En junio de 1999, el Comité Central del Partido Comunista de China y el Consejo de Estado emitieron la "Decisión sobre la profundización de la reforma educativa y la promoción integral de la educación de calidad", que establecía claramente que "los estudiantes deben sentir y comprender el proceso de generación y desarrollo del conocimiento, cultivar su espíritu científico y hábitos de pensamiento innovador, y prestar atención a Desarrollar su capacidad para recopilar y procesar información, adquirir nuevos conocimientos, analizar y resolver problemas”. Esto muestra que el gobierno chino se ha dado cuenta de la importancia de la educación en alfabetización informacional. Sólo mejorando la alfabetización informacional básica de todo el pueblo, especialmente de los estudiantes universitarios, como la conciencia de la información con el espíritu científico como núcleo y la capacidad de información con el pensamiento innovador como núcleo, se podrá transformar el potencial del país en inteligencia nacional y mejorar la competitividad del país. mejorado integralmente. Para los estudiantes de escuelas vocacionales superiores, la informática química puede mejorar su capacidad para filtrar y absorber información conscientemente, desarrollar hábitos de pensamiento innovadores, tener conscientemente un sentido de novedad, tener un deseo de conocimiento, dominar las capacidades necesarias de procesamiento de información y mejorar su trabajo futuro. La competitividad del puesto debería responder a las exigencias objetivas de la continuación de estudios y del aprendizaje permanente en la sociedad en el futuro.
Cultivo de la personalidad innovadora
La informática química puede, en primer lugar, cultivar la buena alfabetización informacional de los estudiantes. Una buena alfabetización informacional permitirá a los estudiantes tener mayor independencia, perseverancia, cooperación, confianza en sí mismos y sentido de responsabilidad después de ingresar a la sociedad, y estos cinco elementos son la encarnación específica de la personalidad innovadora de los estudiantes. Los estudiantes tienen buena independencia y pueden descubrir y resolver problemas de forma independiente en actividades intelectuales y prácticas. Con buena perseverancia, los estudiantes pueden afrontar con calma y pensar sabiamente todas las dificultades que enfrentan en actividades innovadoras. Encontraré un rayo de luz en medio de todas las dificultades y encontraré formas y medios para lograr mis objetivos innovadores. La informática química se basa en tecnología informática y de redes y enfatiza la cooperación en una amplia gama de campos. Los estudiantes con buenos conocimientos de información no renunciarán a la cooperación en aras de una personalidad independiente. Al contrario, estará más dispuesto a conocer más personas y compartir sus ideas y prácticas con sus colaboradores. Una buena alfabetización informacional ciertamente mejora el sentido de responsabilidad y la confianza en sí mismos de los estudiantes. La confianza es la mitad de la batalla. Por otro lado, una vez que los estudiantes dominen más conocimientos e información, definitivamente encontrarán formas efectivas de resolver problemas basadas en la cooperación de área amplia o la adquisición extensa de información útil. Esto no sólo debilitará su voluntad de superar las dificultades, sino que también aumentará su confianza en sí mismos y su sentido de responsabilidad, lo que les permitirá desempeñarse más perfectamente en el trabajo y completar creativamente tareas innovadoras.
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