理想的なケミカルドローイングツール

化学と化学的アイデアのコミュニケーションと共有は、化学構造図という世界共通の共通言語があることで容易になります。潜在的な化学構造の数は1060と推定され[1]、興味深いサブセットは、Mcule 1.4x10⁸からeMolecules 7.0x10¹²までの「オンデマンド・ビッグ・ケミカル・スペース」として市販されていたり、Eli Lilly 10¹¹をはじめGSK 10²⁶[2]までにおよぶ製薬会社によって作成されたライブラリがあります。では、理想的な化学描画ツールとはどのようなものでしょうか？このブログでは、完璧なアプリケーションの特徴や機能をすべて列挙するのではなく、構造描画ツールの典型的なユーザと、彼らが構造を描画する必要があるタスクやワークフローを通して、理想的なツールがどのように彼らのニーズを満たし、あるいはそれを超えることができるかを見ていきます。

典型的なユーザーを4人選びました：製薬会社の医薬品化学者マルコ、製薬会社の計算化学者カルラ、同じく製薬会社の登録担当者でケムインフォマティシャンのレックス、そして学術界の准教授アリです。医薬品化学者のマルコは、化学構造を生き生きと研究し、最初の分子設計から合成計画、試薬の入手と合成、そしてバイオアッセイと試験結果の可視化と分析に至るまで、DMTAサイクルを通じて化学構造の進化を支援しています。設計段階では、構造モチーフや置換基のアイデアを素早くスケッチしたいので、カスタマイズ可能なテンプレート構造やショートカットをスピードとすぐに利用できるようにしています。マーカッシュ列挙は大量の構造を作成することができ、再利用可能で頻繁に使用されるスキャッフォールドは、設計段階で置換基で簡単に装飾することができます。同時に、関連する構造ベースの特性（LogP、 pKa、 H結合供与体、 3次元構造など）に瞬時にアクセスでき、スプレッドシートやその他の視覚化ツールに簡単にリンクできるため、有望な候補構造のフィルタリングや選別に役立ちます。

医薬化学

マルコは、化学合成の計画を立てる段階で、公開されている化学反応の大規模なリポジトリを検索したり、逆合成ツールを使って合成経路の候補を探したりすることで、化学合成に必要な情報を集めます。このような市販のシステムには、独自の化学描画ツールが組み込まれているものもあります。マルコは、新しいインターフェースやメニューを覚えるよりも、お気に入りのツールを使って試薬や生成物を描画し、化学的インテリジェンスを損なうことなく、サードパーティの検索システムにシームレスに転送することを好みます。彼は、出発材料や触媒などのために統合された化学サプライヤーのデータベースを検索する際にも、同じようにお気に入りのツールを使用します。関連する化合物群を探索する際、マルコは可能性の高いビルディングブロックや試薬を探し出すために、部分構造検索ツールを必要としています。

試薬と合成ルートが揃うと、マルコは製造段階の実行ステップに移ります。これは電子実験ノート（ELN）に反応の詳細を入力することです。検索システムと同様に、市販のELNシステムには独自の化学描画ツールが組み込まれている場合があります。反応が完了し、生成物が特性評価されると（実際の NMR と MS スペクトルと予測されたスペクトルを比較することによって支援されます）、マルコは構造の企業登録システム（正しい IUPAC 名の生成を含む）、およびサンプルとバッチのインベントリシステムへのクリーンでシームレスなリンク（再描画なし）を望んでいます。その後、テスト段階で登録された化合物のバイオアッセイを注文し、結果を待つことができます。

分析段階では、マルコは様々な構造活性相関（SAR）ツールを使って、どの構造クラスやバリアントが有望な活性を示し、どれが避けるべきかを調査します。ライブ構造、スキャッフォールド、置換基の表形式ビューは、アッセイ結果やDMPK特性などの構造に由来する特性と組み合わされ、Rグループ分解や部分構造検索を使用して探索・可視化できます。

計算化学

計算化学者であるカルラは、マルコと共にデザインおよび解析フェーズに携わり、探索すべき（または回避すべき）可能性のある構造モチーフを提案・検証し、バイオアッセイやDMPKの結果について詳細なSAR研究を実施しています。彼女は、カスタマイズ可能なショートカットやテンプレート、豊富な部分構造検索機能（一般的な原子や結合の種類、ホモロジーグループなど）、物性計算、予測（pKa、水溶性、logPなど）、3D構造ジェネレーターへのリンクにすぐにアクセスでき、描画のスピードに対するマルコの要求を共有しています。

彼女は、多くの市販および自社開発のドラッグデザインパッケージ（QSAR、リガンドおよび構造に基づくデザイン、ドッキング、仮想スクリーニング、スキャッフォールドホッピングなど）を使用しているため、複数の異なるGUIを習得する必要があるよりも、これらすべてでお気に入りの描画ツールを使用することを希望しています。

また、実構造や推定構造の大きなファイルをあるパッケージから別のパッケージへ移動する必要がよくあるため、化学的インテリジェンスを損なうことなく、一般的に使用される構造ファイル形式（molfile、SDfile、cdx、SMILES/SMARTS、InChI/InChIKeyなど）をすべてきれいにエクスポートおよびインポートできる描画ツールが必要です。

登録とケムインフォマティクス

レジストラ兼ケムインフォマティシャンのRexは、自社化合物データベースの維持管理を担当しています。彼の重要な優先事項は、マルコのような化学者が、仮説、仮想、合成、またはレジストリに表示するために取得したものなど、自社が関心を持つあらゆる種類の化学構造を正確かつ簡単に描画できるようにすることです。

これには、低分子、ペプチド、ポリマー、有機金属、生体分子、部分構造や未知構造の描画が含まれます。また、塩、溶媒和物、立体異性体、互変異性体/中間体、付加化合物、混合物、代替物など、正確で一貫性のある表現が必要な構造のバリエーションにも及びます。レックスは、化学者が優れた構造を描くことを信頼していますが、必要に応じて描画ツールが描画をチェックし、化学者が修正する必要があるエラー(誤った原子価、バランスの悪い電荷、企業ビジネスルールへの非準拠など)にフラグを立てることを期待しています。レックス（と化学者）はまた、化合物の正しいIUPAC名や、InChIやInChIKeyのようなその他の必要な記述子を生成するために、製図プログラムに依存しています。

レックスは、特許出願を作成する際に特許部門の同僚を支援する仕事を任されることが多いため、レジストリを検索して特許クレームに該当する構造を見つけるための高度な部分構造検索機能が必要です。これには、可変鎖および可変環サイズ、代替置換基位置、代替官能基およびヘテロ原子、ノットグループ、ネストされたRグループなどが含まれます。

教育と出版

化学の准教授であるアリは、プレゼンテーション、テスト、クイズ、配布資料など、さまざまな教材を迅速かつ正確に作成するための理想的な描画ツールを必要としています。彼女はマルコ、カーラ、レックスの要求の多くを共有していますが、分子形状、軌道、電荷、ローンペア、ラジカルを説明し、電子移動矢印と共に学生に反応メカニズムを図示し説明するため、さらに教育的構造のニーズがあります。着色や、透視図、調整可能な結合の長さや太さなど、他の構造強化機能も教育に役立ちます。

アリは教鞭をとる傍ら、研究内容を記した出版物を執筆しており、"出版物並み "の品質で、正しく、美的に美しい構造、反応、反応スキームを作成できる描画ツールを必要としています。そのためには、保存されているジャーナルスタイルを遵守し、向きやレイアウトを細かく制御する必要があります。同様に重要なのは、他の出版ツール、特にMS Officeとの完全でクリーンな統合です。他の描画ツールのフォーマットとの互換性と同様に、ライブ編集のための化学的インテリジェンスを完全に保持したドキュメント間の構造の頑健なカット/ペーストは非常に重要です。