رسم حلقة بنزين على الورق أمر يستطيعه أيّ شخص؛ لكن رسم حلقتين ثلاثيتين متصلتين معًا بطولات روابط معقولة، دون إغفال أي ذرة هيدروجين، ليس أمرًا عابرًا. المشكلة اليومية التي تواجه الكيميائيين ليست في «هل يمكن رسمه؟»، بل في «هل يمكن حسابه بعد رسمه؟». إن المعلوماتية الكيميائية في مجموعة تطبيقات MuchSci تقوم بالضبط بهذا الوصل: تعطيه سطرًا نصيًا من SMILES، فيحلّل الجزيء إلى كائن، ثم يُنشئ من الكائن نفسه «رسمًا» و«أرقامًا» في آن واحد.
آخر محادثة كانت مثالًا جاهزًا. عند إدخال C1CC1C2CC2 والسؤال عن ماهية هذا الجزيء، جاءت النتيجة على شكل رسمين بنيويين بصيغة SVG إضافة إلى ملخّص. هذا ليس جوابًا جُمِع من البحث، بل نتيجة تولّدت خطوة بخطوة عبر التحليل، وترتيب الإحداثيات، والعرض، وحساب الخصائص. وتسير هذه المقالة عبر هذه السلسلة وتفكّكها.
01 الجزيء نفسه: لماذا نحتاج إلى نوعين من الرسوم؟
لننظر إلى المخرجات نفسها أولًا.
▲ الشكل 1｜الصيغة الكاملة مع الهيدروجين تتيح التحقق ذرّة بذرّة، أما الصيغة الهيكلية فتواكب عادة القراءة في الأدبيات
الرسمان ليسا تكرارًا للمخرجات، بل يقابلان سيناريوهَي قراءة مختلفين. الصيغة الكاملة مع الهيدروجين تُظهر كل ذرة كربون وكل ذرة هيدروجين، فلا يسهل تفويت أي شيء عند التحقق من عدد الذرات والتكافؤ؛ أما الصيغة الهيكلية فتغفل الكربون والهيدروجين وفق العرف الكيميائي العضوي، فتبدو الحلقتان الثلاثيتان ورابطة الوصل بينهما واضحتين من النظرة الأولى، ولا تبدو غريبة إذا وُضعت في ورقة بحثية أو عرض في اجتماع للمجموعة. وبالنسبة إلى جزيء واحد، هذان إسقاطان للحقيقة نفسها.
المشكلة تظهر عادةً عند الحصول على واحد فقط منهما: فبالنظر إلى الصيغة الهيكلية وحدها، لا يستطيع المبتدئ إحصاء ذرات الهيدروجين؛ وبالنظر إلى الصيغة الكاملة وحدها، لا يمسك بعلاقات النظام الحلقي. وعند تقديم الرسمين معًا، تُختصر خطوة التخمين.
02 من سطر نصي واحد إلى رسمين SVG: كم خطوة بينهما؟
إذا فكّكنا عملية التحليل هذه، فستكون تقريبًا على النحو التالي.
▲ الشكل 2｜الخطوة الثالثة هي التي تُظهر الإتقان حقًا: كيف تُرتَّب إحداثيات 2D، وهو ما يحدّد صلاحية الرسم للاستخدام
يستحق ترتيب الإحداثيات وقفة أطول هنا. فـ SMILES يصف علاقات الاتصال فقط، ولا يتضمن إحداثيات؛ ولرسم البنية، لا بد أولًا من حساب مجموعة إحداثيات 2D لكل ذرة، بحيث تكون أطوال الروابط وزواياها معقولة، ولا تتشوه الحلقات، ولا تتداخل الذرات. الأمر يكون أسهل مع جزيء صغير مثل bicyclopropyl، أما عندما يكبر النظام الحلقي فإن جودة الترتيب تحدّد مباشرة صلاحية الرسم البنيوي للاستخدام. ثم تُخرج مرحلة العرض رسمًا لكل من طريقتي الرسم اعتمادًا على مجموعة الإحداثيات نفسها، لذا تتطابق مواضع الذرات في الرسمين.
يمكن رؤية شكل هذه المخرجات في الواجهة:
▲ الشكل 3｜يمكن معاينة رسمَي SVG وحفظهما، ويأتي ملخّص من جملة واحدة واقتراحات لاحقة ضمن سجل التسليم
03 الرسوم تُرسم، والأرقام تُحسب
إلى جانب البنية، قدّم أيضًا مجموعة من القيم العددية.
▲ الشكل 4｜ثلاث طبقات: التركيب، والطوبولوجيا، والطاقة؛ وكل القيم مقروءة من كائن الجزيء نفسه
كان الملخّص المكوّن من جملة واحدة هذه المرة: C1CC1C2CC2 أي bicyclopropyl، والصيغة C₆H₁₀، والوزن الجزيئي 82.15؛ حلقتان ثلاثيتان منفصلتان متصلتان برابطة C–C أحادية واحدة، وليستا حلقة سبيرو، ولا حلقة جسرية، ولا حلقة مندمجة؛ وجميعها sp³، وخالية من الذرات غير المتجانسة، وغير كيرالية؛ وإجهاد الحلقة حوالي 27 kcal/mol. في هذه الجملة لا ينفصل الرسم عن الأرقام — فالصيغة الجزيئية وقيمة الإجهاد这类 الكميات تُحسب كلها من الكائن نفسه الذي جرى تحليله، فلا يحدث اختلال من نوع «الرسم لجزيء والأرقام لجزيء آخر». كما أدرج ما يمكن فعله في الخطوة التالية: تطبيع SMILES والتحليل بالدفعات، وحساب البصمات والتشابه، والبحث في التكوينات المتعددة مع ترتيب الطاقة عبر MMFF/UFF، وإخراج 3D SDF.
04 الرسم اليدوي لجزيء واحد ممكن، لكن المعالجة بالدفعات هي الميدان الأساسي
إذا أُسيء رسم جزيء واحد، أمكن إعادة العمل عليه؛ فما بالك بمكتبة جزيئات كاملة؟
▲ الشكل 5｜في سياق اكتشاف الأدوية، تضم مكتبات الجزيئات آلافًا أو عشرات الآلاف من المدخلات، ورسمها يدويًا واحدًا تلو الآخر غير واقعي
مدخلات الفرز الافتراضي والتجميع حسب التشابه هي دفعات من SMILES؛ وهنا لا يكون «الرسم الجميل» سوى حاجة طرفية، أما التحليل والتطبيع وإزالة التكرار وحساب الواصفات بالدفعات في المقدمة فهي عبء العمل الرئيسي. وبهذا تختلف المعلوماتية الكيميائية عن برامج الرسم: فبرنامج الرسم يسلّم صورة واحدة، بينما تسلّم سلسلة الأدوات عملية قابلة لإعادة التشغيل — بإعادة تشغيل المدخلات نفسها تتطابق الرسوم والأرقام، وعندها فقط يمكن الحديث عن قابلية التكرار. وتُدخل MuchSci هذه السلسلة في المحادثة، فما توفّره هو مرحلة إعداد البيئة بنفسك، لا حكمك على النتائج.
05 الحدود
وكالعادة، نضع الحدود في العلن.
① تتناول هذه المقالة موقع الوظيفة وطريقة عملها، ولا تشكّل تعهّدًا بجودة النتائج. فنجاح التحليل ومدى معقولية ترتيب الإحداثيات يعتمدان على تعقيد الجزيء وطريقة كتابة المدخلات.
② تحتاج المخرجات إلى مراجعة بشرية. فقد تنحرف الصيغ البنيوية والقيم العددية للخصائص وطاقات التكوينات بسبب اختيار مجال القوى أو المعاملات؛ وينبغي قبل استخدامها في ورقة بحثية أو عرض الرجوع إلى البيانات الأصلية والتحقق منها؛ ولا يمكن تفويض الحكم المهني إلى جهة خارجية.
③ عند التطرق إلى مجالات خاضعة للتنظيم مثل تصميم الأدوية، تُعتمد الأحكام السارية لدى المؤسسة التابع لها واللوائح ذات الصلة. ومحتوى هذه المقالة مخصّص للاستخدام المرجعي في البحث العلمي والتعليم فقط.