Schrödinger の全世界のオフィスは、社員全員が休息を取り、リフレッシュするための全社的な取り組みの一環として、8月17日から21日までの1週間、休業いたします。この期間中は、お問い合わせへの対応が制限される場合がございますので、あらかじめご了承ください。科学・技術サポートチームのメンバーは、緊急のサポート案件への対応のみ行います。

製剤設計のための高度な機械学習と分子シミュレーション

概要

複雑な化学混合物(すなわち製剤)は、石油・ガス業界におけるガソリンブレンド、消費財における日用ケア製品、製薬業界における薬物送達など、幅広い用途で使用されています。考えられる製剤の数が膨大であること、規制要件が変化し続けていること、そして環境に優しく持続可能な製品に対する消費者の需要が高まっていることを踏まえると、より優れた製剤を設計するための革新的かつ費用対効果の高いソリューションが求められています。 原子スケールモデリングと機械学習(ML)における最新の進歩により、膨大な数の配合候補をコンピュータを用いてスクリーニングすることが可能となり、その結果、有望な配合の特定が加速され、コストのかかる実験を削減できるようになりました。

Schrödingerの「製剤機械学習(Formulation Machine Learning)」ツールは、データ駆動型の手法を用いて、成分の構造 や組成と製剤の特性との相関関係を明らかにします。このツールは、高度なケミインフォマティクス記述子と自動ハイパーパラメータ調整を活用して最適な機械学習モデルを特定するとともに、実験やハイスループット分子動力学(MD)計算から得られる外部特徴量(温度、圧力など)を、機械学習モデルへの追加入力として活用することを可能にします。 この「製剤ML」ツールにより、研究開発チームはMLモデルを迅速に学習・展開し、化学成分、組成、および外部要因を変化させることで、製剤の広範な設計空間を迅速に探索することが可能になります。

Schrödinger の製剤スクリーニング技術のメリット

  • 効率的な機械学習モデルの構築とデータ生成:ディープラーニング技術を活用して、製剤特性を予測する高精度な機械学習モデルを構築する。このモデルを分子動力学(MD)シミュレーションと組み合わせることで、物理的に意味のある記述子を生成し、機械学習モデルの精度を向上させることができる。
  • 拡張性:機械学習を用いて、100成分を超える混合物の学習と評価が可能であり、単純な混合物を超えて、特性が向上した複雑な混合物の設計へとその能力を広げることができる
  • 自動化:自動ハイパーパラメータチューニングにより、専門的なケモインフォマティクス記述子を活用し、機械学習の専門知識を最小限に抑えつつ、正確な機械学習モデルの開発が可能になります。
  • 迅速なスクリーニング機能:機械学習(ML)は、わずか数分の1秒で予測結果を生成することができ、数分から数時間のオーダーで最大約10万種類の配合をスクリーニングすることが可能です。
  • 専任サポート: Schrödinger の科学専門家からなる専任サポートチームが、ユーザーが計算ツールを自身のアプリケーションに適用できるよう支援いたします。
  • マルチプラットフォーム対応:ノートパソコン、デスクトップパソコン、および高性能クラスタで利用可能

業界を横断した活用事例

消費財

包装材料にはランダム共重合体系がしばしば用いられており、ガラス転移温度(Tg)は、温度に応じたポリマーの安定性を決定づける重要なパラメータである。フォーミュレーションMLは、365例のTgを、テストセットの決定係数(R²)0.972で正確に予測することができる。2

エネルギー貯蔵

液体電解質は、電池において負極と正極間の電荷の移動を促進するために広く使用されており、粘度はイオンが電解質溶液中をどれだけ容易に移動できるかを決定する重要なパラメータである。Formulation MLは、約34Kのサンプルデータを用いて、テストセットのR²値が0.963となる精度で、温度依存性の粘度を正確に予測することができる。3

製剤学

製剤における薬物送達用途において、純粋溶液および二成分混合溶液中の薬物分子の溶解度は極めて重要である。製剤MLは、約27K件の例題を用いて、純粋溶液または二成分混合溶液のいずれについても、温度依存性の薬物溶解度を正確に予測することができ、テストセットのR²値は0.93.4を達成している。

石油・ガス

炭化水素の混合物はガソリンのブレンドにおいて極めて重要であり、自動車エンジンの効率的な燃焼を促進する。また、モーターオクタン価(MON)は、外部圧力下における燃料の挙動を測定する重要なパラメータである。フォーミュレーションMLは、純粋(単一)成分系から120成分系に至るまでの約700件の事例を用いてMONを正確に予測することができ、テストセットのR²値は0.79.5を達成している。

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参考文献

  1. 化学混合物の設計に向けた、ハイスループット分子シミュレーションと機械学習の活用

    Alex, C. ほか npj Comput Mater 11, 72, 2025, https://doi.org/10.1038/s41524-025-01552-2.

  2. ランダム共重合体のガラス転移温度:1. 実験データとゴードン・テイラー方程式

    Penzel, E. ほか 『Polymer』, 38.2, 1997, 325-337.

  3. 二元液体混合物の粘度を予測するための機械学習

    Bilodeau, C. ほか 『Chemical Engineering Journal』, 464, 2023, 142454.

  4. 機械学習を用いた、さまざまな温度における二成分溶媒混合物中の薬物の溶解度の予測に向けて

    Bao, Z. ほか J Cheminform 16, 117, 2024, https://doi.org/10.1186/s13321-024-00911-3.

  5. 人工知能を活用した燃料混合比の設計

    Kuzhagaliyeva, N. 他 『Communications Chemistry』, 5.1, 2022, 111.

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