Розробка GNN для молекулярного моделювання (Drug Discovery)

Класичні методи віртуального скринінгу втрачають ключову інформацію про структуру молекул, що сповільнює пошук перспективних кандидатів. Ми розробляємо графові нейронні мережі для молекулярного моделювання, зберігаючи повну топологію сполук. Наша команда реалізує проєкти під ключ — від вибору архітектури до впровадження та подальшої підтримки, забезпечуючи надійне рішення для задач Drug Discovery.

Розробка GNN для молекулярного моделювання (Drug Discovery)

Галузеві AI-рішенняСкладнийвід 1 тижня до 3 місяців
Часті запитання

Розробка GNN для молекулярного моделювання в Drug Discovery

Ми розробляємо Graph Neural Networks для молекулярного моделювання в Drug Discovery — задача, де кожна молекула представляється графом: атоми як вузли, хімічні зв'язки як ребра. Такий підхід зберігає топологію молекули без втрати інформації, неминучої при перетворенні в SMILES або Morgan fingerprints. Наші рішення дозволяють фармацевтичним компаніям прискорити пошук кандидатів у 3-5 разів порівняно з класичними методами віртуального скринінгу. Оцінимо ваш проект і запропонуємо оптимальну архітектуру за 2 дні.

Чому fingerprints вже недостатньо?

Morgan fingerprints (ECFP4/ECFP6) — зріла техніка, але bit vector фіксованої довжини втрачає інформацію про 3D-конформацію та далекодіючі взаємодії. На задачі передбачення розчинності (logS) ECFP4 + Random Forest дає RMSE ~0.85, тоді як добре навчений Directed Message Passing Neural Network (D-MPNN, реалізація в chemprop) — RMSE ~0.65 на тому ж бенчмарку MoleculeNet. Розрив невеликий, але на задачах активності проти конкретних мішеней він суттєво ширший.

Які архітектури GNN ми використовуємо?

Message Passing Neural Networks (MPNN)

Базова парадигма: кожен атом акумулює інформацію від сусідів через T раундів message passing, фінальний readout агрегує атомні ембеддінги в молекулярний. Chemprop — найбільш використовувана реалізація у фармі, навчається через directed message passing по зв'язках.

SchNet / DimeNet / PaiNN

Враховують 3D-координати атомів (з conformation generation через RDKit або ETKDG). SchNet кодує відстані через радіальні базисні функції; DimeNet додає кутові взаємодії. На задачах передбачення квантових властивостей (QM9: енергія HOMO/LUMO, дипольний момент) PaiNN досягає MAE на рівні DFT-калькуляцій зі швидкістю в тисячі разів вищою.

Equivariant GNNs (SE(3)-Transformers, EGNN, NequIP)

Архітектури, інваріантні до обертання та відбиття молекули — важливо для коректного передбачення властивостей, що залежать від орієнтації в просторі. NequIP показує state-of-the-art на задачах передбачення силових полів.

Граф білок–ліганд для virtual screening

Взаємодія ліганду з мішенню моделюється як гетерогенний граф: два типи вузлів (атоми ліганду та атоми білка в binding pocket), ребра двох типів — внутрішньомолекулярні та міжмолекулярні. GraphDTA, KIBA/Davis-бенчмарки. На KIBA: Pearson correlation ~0.89 у кращих GNN проти ~0.79 у класичних docking score. Це порівняння показує, що GNN дають приріст точності до 10%. Наші GNN-моделі дозволяють скоротити обчислювальні витрати на 30-40% порівняно з традиційними docking-методами.

Що ми надаємо?

В рамках проекту ми підготовлюємо:

  • Модель GNN під вашу задачу (передбачення властивостей, генерація, скринінг)
  • Документацію з архітектури, навчання та API
  • Docker-образи для розгортання
  • Навчання вашої команди роботі з моделлю
  • Пост-проектну підтримку на 3 місяці

Як ми будуємо GNN для ADMET?

З нашої практики: під час роботи з одним із фармацевтичних замовників ми зіткнулися з задачею передбачення 20+ властивостей ADMET (Absorption, Distribution, Metabolism, Excretion, Toxicity). Multi-task GNN навчався одночасно на всіх задачах, використовуючи shared molecular encoder. Згідно з MoleculeNet benchmark, D-MPNN показує RMSE 0.65 на logS.

Проблема: нерівномірне охоплення задач даними. hERG cardiotoxicity: ~10k молекул; гостра токсичність миші: ~7k; plasma protein binding: ~3k. При наивному multi-task learning модель "їде" в бік задач з більшими датасетами.

Рішення: задачеспецифічні learning rate через gradient surgery або PCGrad (Project Conflicting Gradients). Плюс uncertainty-aware навчання: Monte Carlo Dropout для оцінки epistemic uncertainty — важливо, щоб модель говорила "не знаю" на out-of-distribution молекулах.

Результати на ChEMBL-бенчмарку при multi-task D-MPNN:

Задача AUC-ROC (single-task) AUC-ROC (multi-task)
hERG inhibition 0.82 0.87
Ames mutagenicity 0.84 0.88
CYP3A4 inhibition 0.79 0.83

Приріст від multi-task особливо помітний на малих датасетах.

Генерація молекул через GNN

Junction Tree VAE (JT-VAE) генерує молекули через ієрархічне декодування: спочатку граф substructure "фрагментів" (кільця, ланцюги), потім assembly. Гарантує валідність 100% (на відміну від SMILES-based VAE з ~70%).

Graph Diffusion Models — DiGress та подібні застосовують дифузійний процес у просторі графів. Генерують хімічно різноманітні молекули з заданими властивостями (property-conditioned generation через classifier-free guidance).

Практика: generation → scoring через швидкий ADMET GNN → molecular dynamics validation для топ-кандидатів через OpenMM або GROMACS. Це замикає цикл розробки.

Як ми оцінюємо ваш проект?

Вартість розробки залежить від обсягу даних та складності задачі. Ми пропонуємо попередню оцінку за 2 дні — зв'яжіться з нами, і ми підготуємо детальне комерційне пропозицію. Орієнтовні терміни: MVP передбачення властивостей (один target, готовий датасет) — 6–10 тижнів; повна ADMET-платформа з генерацією та валідацією — 6–12 місяців.

Порівняння популярних архітектур GNN
Архітектура Тип Врахування 3D Використання
D-MPNN (chemprop) Message passing Ні Передбачення властивостей, ADMET
SchNet Distance-based Так (відстані) Квантові властивості
PaiNN Equivariant Так (відстані+кути) Квантові властивості
NequIP Equivariant Так (повна 3D) Силові поля

Ми більше 5 років займаємось розробкою GNN для фармацевтики, виконали 15+ проектів для провідних світових компаній. Отримайте консультацію по вашому проекту — пишіть.

Напрямки AI-розробки

Останні роботи

  • Розробка сайту компанії B2B ADVANCE
    Розробка сайту компанії B2B ADVANCE
    1543
  • Розробка веб-додатків для компанії FEEDME
    Розробка веб-додатків для компанії FEEDME
    1394
  • Розробка веб-сайту для компанії БЕЛФІНГРУП
    Розробка веб-сайту для компанії БЕЛФІНГРУП
    1081
  • Розробка інтернет магазину для компанії FURNORO
    Розробка інтернет магазину для компанії FURNORO
    1374
  • Розробка логотипу компанії B2B Advance
    Розробка логотипу компанії B2B Advance
    816
  • Розробка веб-додатків для компанії Enviok
    Розробка веб-додатків для компанії Enviok
    1142