Modelado predictivo de sistemas complejos para informática molecular : desarrollo de métodos de selección y aprendizaje de características en presencia de incertidumbre - Cravero, Fiorella (2020)
En la actualidad existe una necesidad creciente de guiar el descubrimiento in silico de nuevos polímeros industriales mediante enfoques de Aprendizaje Maquinal supervisado que identifiquen correlaciones estructura-propiedad a partir de la información contenida en bases de datos de materiales, donde cada uno de estos está caracterizado mediante Descriptores Moleculares (DMs). Estas correlaciones se conocen como Modelos de Relación Cuantitativa Estructura-Actividad/Propiedad (QSAR/QSPR, por las siglas en inglés de Quantitative Structure-Activity/Property Relationship) y pueden ser empleadas para predecir propiedades de interés previo a la etapa de síntesis química, contribuyendo de este modo a acelerar el diseño de nuevos materiales y reducir sus costos de desarrollo. El modelado QSAR/QSPR ya ha sido ampliamente empleado en Informática Molecular para el Diseño Racional de Fármacos asistido por computadoras. Sin embargo, los materiales poliméricos son significativamente más complejos que las moléculas pequeñas como las drogas, dado que están integrados por colecciones de macromoléculas compuestas por miles de cadenas que, a su vez, se forman por la unión de cientos de miles de Unidades Repetitivas Estructurales (UREs). Estas cadenas poseen diferentes pesos moleculares (o largos de cadena) y, a su vez, aparecen con distintas frecuencias dentro de cada material. Este fenómeno, conocido como polidispersión, es la principal razón de que muchas aproximaciones informáticas desarrolladas para el diseño racional de fármacos no sean directamente aplicables, ni lo suficientemente efectivas, en el ámbito de la Informática de Polímeros. El objetivo general de esta tesis es contribuir con soluciones para distintas cuestiones relativas a la representación computacional y algoritmia que surgen durante el modelado QSPR de propiedades de polímeros polidispersos de alto peso molecular, con especial énfasis en el tratamiento del problema de selección de descriptores moleculares. Las variaciones en la frecuencia de las cadenas de diferentes largos hacen que la descripción de la estructura de un material polimérico contenga incertidumbre, en contraste con lo que sucede en la caracterización estructural típica de una molécula pequeña. No obstante esto, debido a la complejidad de modelar esta incertidumbre, la mayoría de los estudios QSAR/QSPR han utilizado hasta ahora modelos moleculares simples y univaluados, es decir, calculan los descriptores moleculares para una única instancia de peso, de entre todas las posibles cadenas que conforman un material. En particular, la casi totalidad de estos estudios usan descriptores calculados sobre una única URE, sin tener en cuenta la polidispersión. En tal sentido, esta tesis propone investigar distintas alternativas de selección y aprendizaje de características para modelado QSPR con incertidumbre, que exploren la efectividad de otras representaciones computacionales más realistas para los materiales poliméricos. En primer lugar, se presenta una metodología híbrida que emplea tanto algoritmos de Selección de Características como de Aprendizaje de Características, a fin de evaluar la máxima capacidad predictiva que se puede alcanzar con la tradicional representación univaluada URE. En segundo lugar, se proponen nuevas representaciones univaluadas, basadas en pesos moleculares promedios, denominadas como modelos moleculares Mn y Mw, cuyas capacidades para inferir modelos QSPR son contrastadas con el modelo molecular URE. La siguiente alternativa propuesta estudia una representación computacional trivaluada, basada en la integración de los modelos moleculares univaluados URE, Mn y Mw en una única base de datos, la cual permite capturar parcialmente el fenómeno de la polidispersión. Esta caracterización computacional logra mejorar la generalizabilidad de los modelos QSPR obtenidos durante el proceso aprendizaje supervisado, en comparación con los inferidos mediante enfoques de representación univaluados. Sin embargo, esta nueva representación sigue sin contemplar las frecuencias de aparición de los distintos largos de cadena dentro de un material. Por último, como contribución final de esta tesis se propone una representación computacional multivaluada, basada en el perfil polidisperso real de un material, donde cada descriptor queda caracterizado por una distribución probabilística discreta. En este contexto, las técnicas de selección de características empleadas para representaciones univaluadas ya no resultan aplicables, y surge la necesidad de contar con algoritmos que permitan operar sobre este nuevo modelo molecular. Como consecuencia de esto, se presenta el diseño e implementación de un algoritmo para selección de características multivaluadas. Este nuevo método, FS4RVDD (como sigla de su nombre en inglés Feature Selection for Random Variables with Discrete Distribution), logra un desempeño prometedor en todos los escenarios experimentales ensayados en estas investigaciones.