Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Künstliche Intelligenz bringt Licht ins Dunkel

11.09.2019

Die Vorhersage von durch Licht ausgelösten molekularen Reaktionen ist bis dato extrem rechenaufwendig. Ein Team um Philipp Marquetand von der Fakultät für Chemie der Universitäten Wien hat nun unter Nutzung von künstlichen neuronalen Netzen ein Verfahren vorgestellt, welches die Simulation von photoinduzierten Prozessen drastisch beschleunigt. Das Verfahren bietet neue Möglichkeiten, biologische Prozesse wie erste Schritte der Krebsentstehung oder Alterungsprozesse von Materie besser zu verstehen. Die Studie erschien in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift "Chemical Science" und eine zugehörige Illustration auf einem der Cover.

Maschinelles Lernen spielt in der chemischen Forschung eine immer größere Rolle, z.B. bei der Entdeckung und Entwicklung neuer Moleküle und Materialien. In dieser Studie zeigen die ForscherInnen aus Wien und Berlin, wie künstliche Intelligenz effiziente photodynamische Simulationen ermöglicht.


Illustration zur Studie, die auf einem der Cover von "Chemical Science" erschien: Künstliche neuronale Netze helfen, Simulationen von photoinduzierten Prozessen drastisch zu beschleunigen.

© Julia Westermayr, Philipp Marquetand


Die AutorInnen der Studie, Julia Westermayr und Philipp Marquetand

© Universität Wien

Um photoinduzierte Prozesse, wie sie etwa im Rahmen der Photosynthese, der visuellen Wahrnehmung des Menschen oder der Entstehung von Hautkrebs ablaufen, zu verstehen, „müssen wir die Bewegung der Moleküle unter Einwirkung von UV-Licht verstehen. Dazu benötigen wir neben klassischen mechanischen Berechnungen vor allem auch die Quantenmechanik, die extrem rechen- und damit auch kostenintensiv ist“, sagt Studienautor Philipp Marquetand vom Institut für Theoretische Chemie.

Mit den bisherigen Verfahren konnten ForscherInnen nur die allerschnellsten photoinduzierten Prozesse im Bereich von Pikosekunden (1 Pikosekunde = 0,000 000 000 001 Sekunden) – bei Rechenzeiten von mehreren Monaten – vorhersagen. Das neue Verfahren ermöglicht mittels künstlicher Intelligenz Simulationen über längere Zeiträume, im Bereich einer Nanosekunde (1.000 Pikosekunden), bei wesentlich weniger Rechenzeit.

Lernende neuronale Netze

Bei ihrem Ansatz verwenden die ForscherInnen künstliche neuronale Netze, also mathematische Modelle, die die Funktionsweise unseres Gehirns imitieren. „Wir bringen unserem neuronalen Netz die komplexen quantenmechanischen Beziehungen bei, indem wir vorher ein paar wenige Rechnungen durchführen, und das Wissen an das neuronale Netz weitergeben“, sagt Erstautorin der Studie und uni:docs-Stipendiatin Julia Westermayr vom Institut für Theoretische Chemie.

Durch das angeeignete Wissen können die selbstlernenden neuronalen Netze dann im Rahmen der molekulardynamischen Simulationen schneller vorhersagen, was passieren wird.

Im Rahmen der Studie führten die ForscherInnen photodynamische Simulationen eines Testmoleküls namens Methylenimmoniumkation – eines Bausteines des Moleküls Retinal, das unsere Sehprozesse ermöglicht – durch. „Nach zwei Monaten Rechenzeit konnten wir die Reaktion im Zeitraum von einer Nanosekunde abbilden; auf Basis bisheriger Verfahren hätte die Simulation zirka 19 Jahre gedauert“, so Doktorandin Julia Westermayr.

Proof-of-Concept

Im Bereich von Nanosekunden laufen ein Großteil photochemischer Prozesse ab: „Mit unserer Strategie stoßen wir in eine neue Dimension für Vorhersagen vor. Das von uns präsentierte Vorgehen kann man im Prinzip auf verschiedenste kleinere Moleküle – darunter DNA-Bausteine und Aminosäuren – anwenden“, sagt Studienautor Philipp Marquetand.

In einem nächsten Schritt wollen die ForscherInnen ihr Verfahren nutzen, um die Aminosäure Tyrosin zu beschreiben. Sie kommt in den meisten Proteinen vor und es besteht der Verdacht, dass ihre Schädigung unter Einfluss von Licht Blindheit und Hautalterung begünstigt. Das Verfahren rücke, so die Studienautoren, aber ganz allgemein die Vorhersage von lichtgesteuerten Prozessen in jeglicher Hinsicht, etwa auch von Materialalterung oder von photosensitiven Medikamenten, in greifbare Nähe.

Publikation in "Chemical Science" der Royal Society of Chemistry
Machine learning enables long time scale molecular photodynamics simulations, Michael Gastegger, Maximilian F. S. J. Menger, Sebastian Mai, Leticia González and Philipp Marquetand
Chemical Science, 2019.
https://doi.org/10.1039/C9SC01742A

Dieser Artikel wurde als Open Access-Publikation veröffentlicht.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Priv.-Doz. Dr. Philipp Marquetand
Institut für Theoretische Chemie
Universität Wien
1090 - Wien, Währinger Straße 17
+43-1-4277-527 64
philipp.marquetand@univie.ac.at

Originalpublikation:

https://doi.org/10.1039/C9SC01742A

Stephan Brodicky | Universität Wien
Weitere Informationen:
https://www.univie.ac.at/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Informationstechnologie:

nachricht Digitale Assistenzsysteme in der Produktion
19.09.2019 | Fraunhofer-Institut für Arbeitswirtschaft und Organisation IAO

nachricht KI ermöglicht klinische Bildgebungsanalyse in der Augenheilkunde
19.09.2019 | Universitätsspital Bern

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Informationstechnologie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: 'Nanochains' could increase battery capacity, cut charging time

How long the battery of your phone or computer lasts depends on how many lithium ions can be stored in the battery's negative electrode material. If the battery runs out of these ions, it can't generate an electrical current to run a device and ultimately fails.

Materials with a higher lithium ion storage capacity are either too heavy or the wrong shape to replace graphite, the electrode material currently used in...

Im Focus: Nervenzellen feuern Hirntumorzellen zum Wachstum an

Heidelberger Wissenschaftler und Ärzte beschreiben aktuell im Fachjournal „Nature“, wie Nervenzellen des Gehirns mit aggressiven Glioblastomen in Verbindung treten und so das Tumorwachstum fördern / Mechanismus der Tumor-Aktivierung liefert Ansatzpunkte für klinische Studien

Nervenzellen geben ihre Signale über Synapsen – feine Zellausläufer mit Kontaktknöpfchen, die der nächsten Nervenzelle aufliegen – untereinander weiter....

Im Focus: Stevens team closes in on 'holy grail' of room temperature quantum computing chips

Photons interact on chip-based system with unprecedented efficiency

To process information, photons must interact. However, these tiny packets of light want nothing to do with each other, each passing by without altering the...

Im Focus: Happy hour für die zeitaufgelöste Kristallographie

Ein Forschungsteam vom Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie (MPSD), der Universität Hamburg und dem European Molecular Biology Laboratory (EMBL) hat eine neue Methode entwickelt, um Biomoleküle bei der Arbeit zu beobachten. Sie macht es bedeutend einfacher, enzymatische Reaktionen auszulösen, da hierzu ein Cocktail aus kleinen Flüssigkeitsmengen und Proteinkristallen angewandt wird. Ab dem Zeitpunkt des Mischens werden die Proteinstrukturen in definierten Abständen bestimmt. Mit der dadurch entstehenden Zeitraffersequenz können nun die Bewegungen der biologischen Moleküle abgebildet werden.

Die Funktionen von Biomolekülen werden nicht nur durch ihre molekularen Strukturen, sondern auch durch deren Veränderungen bestimmt. Mittels der...

Im Focus: Happy hour for time-resolved crystallography

Researchers from the Department of Atomically Resolved Dynamics of the Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter (MPSD) at the Center for Free-Electron Laser Science in Hamburg, the University of Hamburg and the European Molecular Biology Laboratory (EMBL) outstation in the city have developed a new method to watch biomolecules at work. This method dramatically simplifies starting enzymatic reactions by mixing a cocktail of small amounts of liquids with protein crystals. Determination of the protein structures at different times after mixing can be assembled into a time-lapse sequence that shows the molecular foundations of biology.

The functions of biomolecules are determined by their motions and structural changes. Yet it is a formidable challenge to understand these dynamic motions.

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

92. Neurologie-Kongress: Mehr als 6500 Neurologen in Stuttgart erwartet

20.09.2019 | Veranstaltungen

Frische Ideen zur Mobilität von morgen

20.09.2019 | Veranstaltungen

Thermodynamik – Energien der Zukunft

19.09.2019 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Ferroelektrizität verbessert Perowskit-Solarzellen

20.09.2019 | Energie und Elektrotechnik

HD-Mikroskopie in Millisekunden

20.09.2019 | Biowissenschaften Chemie

Kinobilder aus lebenden Zellen: Forscherteam aus Jena und Bielefeld 
verbessert superauflösende Mikroskopie

20.09.2019 | Medizintechnik

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics