Darstellung des betreffenden Problems. Von der großen Menge an Molekülen im chemischen Raum kann die aktuelle Technologie nur eine begrenzte Menge nachweisen. Der Anteil der tatsächlich identifizierten Moleküle ist sogar noch geringer. Der chemische Raum des Exposoms – der Moleküle, denen wir ausgesetzt sind – liegt weit außerhalb des Bereichs dieser messbaren, gemessenen und identifizierten Moleküle. Bildnachweis: HIMS / JACS.
DER JACS Au hat gerade eine Gastperspektive von Dr. Saer Samanipour und seinem Team über die gewaltige Herausforderung veröffentlicht, alle Chemikalien um uns herum zu kartieren. Samanipour, Assistenzprofessor am Van ‘t Hoff-Institut für Molekularwissenschaften an der Universität Amsterdam (UvA), zieht eine Bilanz der verfügbaren wissenschaftlichen Erkenntnisse und kommt zu dem Schluss, dass ein wirklich proaktives Management von Chemikalien derzeit nicht möglich ist.
Um das riesige und wachsende chemische Universum wirklich zu beherrschen, befürwortet Samanipour den Einsatz von maschinellem Lernen und KI und ergänzt bestehende Strategien zur Erkennung und Identifizierung aller Moleküle, denen wir ausgesetzt sind.
Im wissenschaftlichen Fachjargon wird die Ansammlung aller Moleküle, denen wir ausgesetzt sind, als „chemischer Raum des Exposoms“ bezeichnet und ist das Herzstück von Samanipours wissenschaftlichen Bemühungen. Seine Mission ist es, diesen riesigen molekularen Raum zu erforschen und ihn bis in die „entlegensten“ Winkel zu kartieren. Ihn treibt die Neugier, aber noch mehr die Notwendigkeit.
Die direkte und indirekte Exposition gegenüber einer Vielzahl von Chemikalien, von denen die meisten unbekannt sind, stellt eine erhebliche Gefahr für die menschliche Gesundheit dar. Beispielsweise wird geschätzt, dass 16 % der vorzeitigen Todesfälle weltweit auf Umweltverschmutzung zurückzuführen sind.
Auch die Umwelt leidet, was sich beispielsweise am Verlust der Artenvielfalt zeigt. Laut Samanipour kann argumentiert werden, dass die Menschheit den sicheren Handlungsspielraum für die Einführung künstlicher Chemikalien in das System des Planeten Erde überschritten hat.
Der derzeitige Ansatz ist von Natur aus passiv
„Es ist eher unbefriedigend, dass wir so wenig darüber wissen“, sagt er. „Wir wissen wenig darüber, welche Chemikalien bereits verwendet werden, und noch weniger darüber, ob wir mit der Produktion neuer Chemikalien, die jetzt in einem beispiellosen Tempo produziert werden, Schritt halten können.“
In einer früheren Studie schätzte er, dass weniger als 2 % aller Chemikalien, denen wir ausgesetzt sind, identifiziert wurden.
„Die Art und Weise, wie die Gesellschaft dieses Problem angeht, ist von Natur aus passiv und bestenfalls reaktiv. Erst wenn wir Auswirkungen der Exposition gegenüber Chemikalien beobachten, verspüren wir das Bedürfnis, sie zu analysieren. Wir versuchen, ihr Vorhandensein und ihre Auswirkungen auf die Umwelt zu bestimmen.“ Umwelt und menschliche Gesundheit und wir versuchen, die Mechanismen zu ermitteln, durch die sie Schäden verursachen.
„Dies hat zu vielen Problemen geführt, zuletzt zur PFAS-Chemiekrise, aber wir haben auch große Probleme mit Flammschutzmitteln, PCBs, FCKW usw. gesehen“, fügt er hinzu.
Darüber hinaus zielen Regulierungsmaßnahmen vor allem auf Chemikalien ab, die eine sehr spezifische Molekülstruktur aufweisen und in großen Mengen hergestellt werden.
Samanipour sagt: „Es gibt unzählige andere Chemikalien, über die wir nicht viel wissen. Und sie sind nicht nur von Menschenhand geschaffen; Auch die Natur produziert Chemikalien, die uns schaden können. Durch rein natürliche Synthesewege oder durch die Umwandlung künstlicher Chemikalien. »
Laut Samanipour wurde diese letzte Kategorie systematisch vernachlässigt. „Konventionelle Methoden haben nur einen Bruchteil des Exposoms identifiziert, Transformationsprodukte vernachlässigt und oft unsichere Ergebnisse geliefert. »
Wir brauchen einen datengesteuerten Ansatz
Der JACS Au-Artikel gibt einen detaillierten Überblick über die neuesten Bemühungen zur Kartierung des chemischen Raums des Exposoms und diskutiert ihre Ergebnisse. Eines der Haupthindernisse besteht darin, dass die konventionelle chemische Analyse auf bekannte oder vorgeschlagene Strukturen ausgerichtet ist, da diese für die Interpretation von Daten, die mit Analysemethoden wie Chromatographie und Massenspektrometrie (GC/LC-HRMS) gewonnen werden, von entscheidender Bedeutung sind. Dadurch werden die „unerwartetsten“ Chemikalien vernachlässigt. Diese Verzerrung wird bei der sogenannten Non-Targeted Analysis (NTA) vermieden, allerdings sind auch hier die Ergebnisse begrenzt.
In den letzten fünf Jahren wurden 1.600 Chemikalien identifiziert, und jedes Jahr werden allein auf dem US-amerikanischen Markt etwa 700 neue Chemikalien eingeführt.
Samanipour sagt: „Wenn wir die potenziellen Transformationsprodukte dieser neuen Chemikalien berücksichtigen, müssen wir zu dem Schluss kommen, dass die Studien zu NTA viel zu langsam sind, um aufzuholen.“ Bei diesem Tempo wird unser chemisches Exposom weiterhin unbekannt bleiben. »
Der Artikel listet diese und andere Hindernisse in der aktuellen analytischen Wissenschaft auf und schlägt Möglichkeiten zur Verbesserung der Ergebnisse vor. Insbesondere der Einsatz von maschinellem Lernen und künstlicher Intelligenz werde diesen Bereich wirklich voranbringen, sagt Samanipour.
„Wir müssen einen datengesteuerten, mehrgleisigen Ansatz verfolgen. Erstens müssen wir unsere Data-Mining-Bemühungen intensivieren, um Informationen aus vorhandenen Chemikaliendatenbanken zu extrahieren. Die bereits erfassten Zusammenhänge zwischen Struktur, Exposition und Wirkung der identifizierten Chemikalien werden es uns ermöglichen, neue Erkenntnisse zu gewinnen. Sie könnten uns beispielsweise helfen, die gesundheitlichen Auswirkungen verwandter Chemikalien vorherzusagen, die noch nicht identifiziert sind“, sagte er.
„Zweitens müssen wir eine retrospektive Analyse der bereits verfügbaren Analysedaten durchführen, die mit etablierten Methoden gewonnen wurden, und so den identifizierten chemischen Raum erweitern. Wir werden dort sicherlich Moleküle finden, die bisher vernachlässigt wurden. Und drittens können wir die KI dazu nutzen.“ Arbeiten Sie daran, die Struktur und den Umfang des chemischen Raums des Exposoms zu verstehen.
Natürlich ist das alles ein sehr komplexes und entmutigendes Thema, erkennt Samanipour. Aber als eine Art Astronaut im molekularen Raum – ähnlich wie die Entdecker des faktischen Universums – lässt er sich von dieser Komplexität nicht abschrecken. „Wir müssen hart daran arbeiten, dieses Problem zu lösen. Ich mache mir keine Illusionen darüber, dass wir im Laufe meiner wissenschaftlichen Karriere in der Lage sein werden, den chemischen Raum des Exposoms vollständig abzubilden. Es ist jedoch unbedingt erforderlich, dass wir uns in Diskussionen mit seiner Komplexität auseinandersetzen und die ersten Schritte unternehmen.“ damit klarkommen“, fügt er hinzu.
Mehr Informationen:
Saer Samanipour et al., Erforschung des chemischen Raums des Exposoms: Wie weit sind wir gekommen? JACS Au (2024). DOI: 10.1021/jacsau.4c00220
Zur Verfügung gestellt von der Universität Amsterdam
Zitat: Nur durch maschinelles Lernen und KI können wir alle Chemikalien um uns herum beherrschen, sagen Forscher (1. Juli 2024), abgerufen am 1. Juli 2024 von https://phys.org/news/2024-07-machine-ai-chemicals. html
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