Obliczeniowe rozwiązanie do oceny toksyczności substancji chemicznych
Przemysły farmaceutyczny i kosmetyczny zużywają duże ilości energii, jednocześnie wytwarzając ogromne ilości odpadów. Niektóre substancje chemiczne używane podczas produkcji, takie jak rozpuszczalniki, wymagają odpowiedniej utylizacji – w innym wypadku mogą trafić do gleby lub wody. „Inny problem dotyczy faktu, że substancje chemiczne znajdujące się w lekach oraz produktach kosmetycznych są wydalane z naszych organizmów, a następnie trafiają do systemów kanalizacyjnych”, wyjaśnia Rafael Gozalbes, koordynator projektu Eco-CosmePharm oraz dyrektor generalny firmy ProtoQSAR w Hiszpanii. „Nie wszystkie oczyszczalnie ścieków są przystosowane do usuwania tych substancji chemicznych z wody. W efekcie może to prowadzić do przedostawania się substancji leczniczych oraz chemikaliów wykorzystywanych w kosmetykach do środowiska wodnego”. Określenie, które substancje chemiczne mają szkodliwy wpływ na organizmy wodne, jest konieczne, jeśli chcemy skutecznie zapobiegać związanym z nimi problemom. Największym wyzwaniem pozostaje jednak czasochłonność oraz koszty badań toksyczności substancji.
Badania przesiewowe toksyczności
Projekt Eco-CosmePharm, zrealizowany dzięki wsparciu działania „Maria Skłodowska-Curie”, miał na celu wykorzystanie rozwiązań technologicznych w celu zapewnienia wygodnej i taniej alternatywy dla badań laboratoryjnych. „Naszym celem było obliczeniowe określenie wpływu potencjalnie niebezpiecznych farmaceutyków, kosmetyków i rozpuszczalników”, twierdzi Gozalbes. „Zrealizowaliśmy nasz cel dzięki zastosowaniu analiz danych oraz metod informatyki chemicznej w celu przewidywania poziomów toksyczności dla ludzi i środowiska naturalnego”. W ramach projektu badacze wykorzystali wydajne techniki obliczeniowe w celu przewidywania właściwości, nazwaną QSAR, czyli Quantitative Structure-Activity Relationship – określania ilościowego relacji między strukturą i działaniem. Technika ta opiera się na wykorzystaniu algorytmów uczenia maszynowego do lepszego zrozumienia cech strukturalnych lub wzorców odpowiedzialnych za właściwości cząsteczek – w tym przypadku badacze skupili się na toksyczność dla organizmów wodnych. „Wielozadaniowe modele QSAR opracowane przez nasz zespół zostały wykorzystane do badania przesiewowego dostępnych na rynku leków i kosmetyków w celu zidentyfikowania substancji chemicznych, które mogą być szkodliwe dla organizmów wodnych, dodaje Pravin Ambure, stypendysta działania „Maria Skłodowska-Curie”. „Na tym etapie wybraliśmy około 35 substancji chemicznych, aby sprawdzić poziom ich toksyczności w laboratorium, by w ten sposób potwierdzić dokładność modelowania”. Wielozadaniowość modeli opracowanych w ramach projektu Eco-CosmePharm polega na tym, że za ich pomocą badacze mogą analizować jednocześnie szereg parametrów i zmiennych, takich jak warunki wodne. Dzięki temu można je dopasować do określonych warunków, które szczególnie interesują badaczy. „Wiedza zdobyta w ramach projektu Eco-CosmePharm dotychczas pozwoliła nam na sklasyfikowanie wybranych leków oraz kosmetyków pod kątem ich toksyczności dla środowisk wodnych”, dodaje Gozalbes. „Dzięki informatyce chemicznej możemy opracować nowatorskie analogi wybranych toksycznych substancji chemicznych lub określić alternatywne cząsteczki, które będą charakteryzować się podobnymi właściwościami, a jednocześnie nie będą w takim samym stopniu toksyczne dla środowiska”.
Oprogramowanie gotowe do wprowadzenia na rynek
Sukces projektu Eco-CosmePharm doprowadził do opracowania dwóch narzędzi programowych opartych na sztucznej inteligencji – ProtoML-Basic oraz ProtoML-Mixture. Oba narzędzia mogą być wykorzystywane do przeprowadzania analiz QSAR oraz realizacji zadań związanych z uczeniem maszynowym dotyczących pojedynczych substancji chemicznych oraz ich mieszanin. „Narzędzia te zostaną wprowadzone na rynek przez spółkę ProtoQSAR jako część zestawu oprogramowania”, wyjaśnia Ambure. „Mamy nadzieję, że nasze narzędzia pomogą decydentom politycznym oraz przedstawicielom środowisk przemysłowych w zwiększaniu świadomości dotyczących zagrożeń wynikających ze stosowania niektórych substancji chemicznych oraz skłonią ich do wyboru bezpieczniejszych alternatyw, jeśli ich zastosowanie będzie możliwe w praktyce. Kolejne kroki w ramach prac będą obejmowały opracowanie przyjaznej dla użytkownika i interaktywnej platformy internetowej, która będzie wykorzystywana do przewidywania toksyczności dowolnego zestawu substancji chemicznych dla środowiska wodnego, a także do generowania szczegółowych raportów toksyczności dla użytkowników. Gozalbes przewiduje, że narzędzie internetowe będzie wykorzystywane do badania związków przed ich dopuszczeniem do obrotu przez organy regulacyjne, a także do wyboru związków do dalszych badań doświadczalnych.
Słowa kluczowe
Eco-CosmePharm, ProtoQSAR, leki, kosmetyki, ścieki, toksyczność, rozpuszczalniki, wodne
