它是科学技术的基础，能够预测化学反应及其性质。为实现此类技能，重要的是要培养良好的化学反应表示，或者可以自动从数据中学习此类表示的良好深度学习架构。目前没有普遍和广泛采用的方法，可强健地代表化学反应。大多数现有方法患有一个或多个缺点，例如：（1）缺乏普遍性; （2）缺乏稳健性; （3）缺乏可解释性;或（4）需要过度手动预处理。在这里，我们利用基于图的分子结构表示，以开发和测试一个超图注意神经网络方法，以一次解决反应表示和性能 - 预测问题，减轻了上述缺点。我们使用三个独立数据集化学反应评估三个实验中的这种超照片表示。在所有实验中，基于超图的方法与其他表示和它们相应的化学反应模型相匹配或优于相应的模型，同时产生可解释的多级表示。

分子表示学习（MRL）是建立机器学习与化学科学之间联系的关键步骤。特别是，它将分子编码为保留分子结构和特征的数值向量，在其上可以执行下游任务（例如，属性预测）。最近，MRL取得了相当大的进步，尤其是在基于深的分子图学习方法中。在这项调查中，我们系统地回顾了这些基于图的分子表示技术。具体而言，我们首先介绍2D和3D图分子数据集的数据和功能。然后，我们总结了专门为MRL设计的方法，并将其分为四种策略。此外，我们讨论了MRL支持的一些典型化学应用。为了促进该快速发展领域的研究，我们还列出了论文中的基准和常用数据集。最后，我们分享我们对未来研究方向的想法。

反转合是药物发现的主要任务。通过许多现有方法，它被称为生成图的问题。具体而言，这些方法首先识别反应中心，并相应地打破靶分子以生成合成子。反应物是通过顺序添加到合成图或直接添加正确的离开组来生成反应物。但是，两种策略都遭受了添加原子以来会导致长期的预测顺序，从而增加了产生难度，同时添加离开组只能考虑训练集中的序列，从而导致概括不佳。在本文中，我们提出了一个新颖的端到端图生成模型，用于逆转录合成预测，该模型顺序识别反应中心，生成合成子，并将基序添加到合成子中以生成反应物。由于化学有意义的基序比原子大，比离开组还小，因此与添加原子相比，与添加离开组相比，我们的方法的预测复杂性较低。基准数据集上的实验表明，所提出的模型显着胜过先前的最新算法。

Graph classification is an important area in both modern research and industry. Multiple applications, especially in chemistry and novel drug discovery, encourage rapid development of machine learning models in this area. To keep up with the pace of new research, proper experimental design, fair evaluation, and independent benchmarks are essential. Design of strong baselines is an indispensable element of such works. In this thesis, we explore multiple approaches to graph classification. We focus on Graph Neural Networks (GNNs), which emerged as a de facto standard deep learning technique for graph representation learning. Classical approaches, such as graph descriptors and molecular fingerprints, are also addressed. We design fair evaluation experimental protocol and choose proper datasets collection. This allows us to perform numerous experiments and rigorously analyze modern approaches. We arrive to many conclusions, which shed new light on performance and quality of novel algorithms. We investigate application of Jumping Knowledge GNN architecture to graph classification, which proves to be an efficient tool for improving base graph neural network architectures. Multiple improvements to baseline models are also proposed and experimentally verified, which constitutes an important contribution to the field of fair model comparison.

阐明并准确预测分子的吸毒性和生物活性在药物设计和发现中起关键作用，并且仍然是一个开放的挑战。最近，图神经网络（GNN）在基于图的分子属性预测方面取得了显着进步。但是，当前基于图的深度学习方法忽略了分子的分层信息以及特征通道之间的关系。在这项研究中，我们提出了一个精心设计的分层信息图神经网络框架（称为hignn），用于通过利用分子图和化学合成的可见的无限元素片段来预测分子特性。此外，首先在Hignn体系结构中设计了一个插件功能的注意块，以适应消息传递阶段后自适应重新校准原子特征。广泛的实验表明，Hignn在许多具有挑战性的药物发现相关基准数据集上实现了最先进的预测性能。此外，我们设计了一种分子碎片的相似性机制，以全面研究Hignn模型在子图水平上的解释性，表明Hignn作为强大的深度学习工具可以帮助化学家和药剂师识别出设计更好分子的关键分子，以设计更好的分子，以设计出所需的更好分子。属性或功能。源代码可在https://github.com/idruglab/hignn上公开获得。

逆合合成是一种将分子转化为潜在反应物的过程，因此鉴定了合成途径。我们提出了一个新颖的生成框架，称为$ \ mathsf {g^2retro} $，用于一步回曲预测。 $ \ mathsf {g^2retro} $模仿合成反应的反向逻辑，也就是说，首先预测反应中心以将靶分子转换为名为合成的片段，然后将合成剂转化为反应剂，然后按照先前的基于半电压的方法转换为反应剂。在预测反应中心时，$ \ mathsf {g^2retro} $定义了一组全面的反应中心类型，并通过考虑多个反应中心候选者来实现预测反应的多样性。在完成合成子时，$ \ mathsf {g^2retro} $部署了一系列子结构附件，以将合成物转换为反应物，该反应物利用了要完成的合成结构的最新结构的整体视图，以及所有所涉及的合成物和所有合成的结构产品结构。在这里，我们证明$ \ mathsf {g^2retro} $能够更好地对基准数据集中最可能的反应物进行优先级，而不是最先进的方法，并且发现了不包括在该方法中基准数据集。

We discover a robust self-supervised strategy tailored towards molecular representations for generative masked language models through a series of tailored, in-depth ablations. Using this pre-training strategy, we train BARTSmiles, a BART-like model with an order of magnitude more compute than previous self-supervised molecular representations. In-depth evaluations show that BARTSmiles consistently outperforms other self-supervised representations across classification, regression, and generation tasks setting a new state-of-the-art on 11 tasks. We then quantitatively show that when applied to the molecular domain, the BART objective learns representations that implicitly encode our downstream tasks of interest. For example, by selecting seven neurons from a frozen BARTSmiles, we can obtain a model having performance within two percentage points of the full fine-tuned model on task Clintox. Lastly, we show that standard attribution interpretability methods, when applied to BARTSmiles, highlight certain substructures that chemists use to explain specific properties of molecules. The code and the pretrained model are publicly available.

Models that accurately predict properties based on chemical structure are valuable tools in drug discovery. However, for many properties, public and private training sets are typically small, and it is difficult for the models to generalize well outside of the training data. Recently, large language models have addressed this problem by using self-supervised pretraining on large unlabeled datasets, followed by fine-tuning on smaller, labeled datasets. In this paper, we report MolE, a molecular foundation model that adapts the DeBERTa architecture to be used on molecular graphs together with a two-step pretraining strategy. The first step of pretraining is a self-supervised approach focused on learning chemical structures, and the second step is a massive multi-task approach to learn biological information. We show that fine-tuning pretrained MolE achieves state-of-the-art results on 9 of the 22 ADMET tasks included in the Therapeutic Data Commons.

基于合并和处理对称信息的神经网络架构的几何深度学习（GDL）已经成为人工智能最近的范式。GDL在分子建模应用中具有特定的承诺，其中存在具有不同对称性和抽象水平的各种分子表示。本综述提供了分子GDL的结构化和协调概述，突出了其在药物发现，化学合成预测和量子化学中的应用。重点是学习的分子特征的相关性及其对成熟的分子描述符的互补性。本综述概述了当前的挑战和机会，并提出了用于分子科学GDL的未来的预测。

学习有效的蛋白质表示在生物学的各种任务中至关重要，例如预测蛋白质功能或结构。现有的方法通常在大量未标记的氨基酸序列上预先蛋白质语言模型，然后在下游任务中使用一些标记的数据来对模型进行修复。尽管基于序列的方法具有有效性，但尚未探索蛋白质性能预测的已知蛋白质结构的预处理功能，尽管蛋白质结构已知是蛋白质功能的决定因素，但尚未探索。在本文中，我们建议根据其3D结构预处理蛋白质。我们首先提出一个简单而有效的编码器，以学习蛋白质的几何特征。我们通过利用多视图对比学习和不同的自我预测任务来预先蛋白质图编码器。对功能预测和折叠分类任务的实验结果表明，我们提出的预处理方法表现优于或与最新的基于最新的序列方法相提并论，同时使用较少的数据。我们的实施可在https://github.com/deepgraphlearning/gearnet上获得。

人工智能（AI）在过去十年中一直在改变药物发现的实践。各种AI技术已在广泛的应用中使用，例如虚拟筛选和药物设计。在本调查中，我们首先概述了药物发现，并讨论了相关的应用，可以减少到两个主要任务，即分子性质预测和分子产生。然后，我们讨论常见的数据资源，分子表示和基准平台。此外，为了总结AI在药物发现中的进展情况，我们介绍了在调查的论文中包括模型架构和学习范式的相关AI技术。我们预计本调查将作为有兴趣在人工智能和药物发现界面工作的研究人员的指南。我们还提供了GitHub存储库（HTTPS:///github.com/dengjianyuan/survey_survey_au_drug_discovery），其中包含文件和代码，如适用，作为定期更新的学习资源。

Ionic Liquids (ILs) provide a promising solution for CO$_2$ capture and storage to mitigate global warming. However, identifying and designing the high-capacity IL from the giant chemical space requires expensive, and exhaustive simulations and experiments. Machine learning (ML) can accelerate the process of searching for desirable ionic molecules through accurate and efficient property predictions in a data-driven manner. But existing descriptors and ML models for the ionic molecule suffer from the inefficient adaptation of molecular graph structure. Besides, few works have investigated the explainability of ML models to help understand the learned features that can guide the design of efficient ionic molecules. In this work, we develop both fingerprint-based ML models and Graph Neural Networks (GNNs) to predict the CO$_2$ absorption in ILs. Fingerprint works on graph structure at the feature extraction stage, while GNNs directly handle molecule structure in both the feature extraction and model prediction stage. We show that our method outperforms previous ML models by reaching a high accuracy (MAE of 0.0137, $R^2$ of 0.9884). Furthermore, we take the advantage of GNNs feature representation and develop a substructure-based explanation method that provides insight into how each chemical fragments within IL molecules contribute to the CO$_2$ absorption prediction of ML models. We also show that our explanation result agrees with some ground truth from the theoretical reaction mechanism of CO$_2$ absorption in ILs, which can advise on the design of novel and efficient functional ILs in the future.

We seek to automate the design of molecules based on specific chemical properties. In computational terms, this task involves continuous embedding and generation of molecular graphs. Our primary contribution is the direct realization of molecular graphs, a task previously approached by generating linear SMILES strings instead of graphs. Our junction tree variational autoencoder generates molecular graphs in two phases, by first generating a tree-structured scaffold over chemical substructures, and then combining them into a molecule with a graph message passing network. This approach allows us to incrementally expand molecules while maintaining chemical validity at every step. We evaluate our model on multiple tasks ranging from molecular generation to optimization. Across these tasks, our model outperforms previous state-of-the-art baselines by a significant margin.

学习表达性分子表示对于促进分子特性的准确预测至关重要。尽管图形神经网络（GNNS）在分子表示学习中取得了显着进步，但它们通常面临诸如邻居探索，不足，过度光滑和过度阵列之类的局限性。同样，由于参数数量大，GNN通常具有较高的计算复杂性。通常，当面对相对大尺寸的图形或使用更深的GNN模型体系结构时，这种限制会出现或增加。克服这些问题的一个想法是将分子图简化为小型，丰富且有益的信息，这更有效，更具挑战性的培训GNN。为此，我们提出了一个新颖的分子图粗化框架，名为FUNQG利用函数组，作为分子的有影响力的构件来确定其性质，基于称为商图的图理论概念。通过实验，我们表明所产生的信息图比分子图小得多，因此是训练GNN的良好候选者。我们将FUNQG应用于流行的分子属性预测基准，然后比较所获得的数据集上的GNN体系结构的性能与原始数据集上的几个最先进的基线。通过实验，除了其参数数量和低计算复杂性的急剧减少之外，该方法除了其急剧减少之外，在各种数据集上的表现显着优于先前的基准。因此，FUNQG可以用作解决分子表示学习问题的简单，成本效益且可靠的方法。

丙酸的主要靶标是递归地将所需分子分解成可用的构件块。现有的基于模板的逆转性方法遵循模板选择刻板印象并遭受有限训练模板，这可以防止它们发现新的反应。为了克服限制，我们提出了一种创新的retrosynesp预测框架，可以撰写超出训练模板的新型模板。据我们所知，这是第一种可以找到用于逆转金属预测的新型模板的方法。此外，我们提出了一种有效的反应物候选候选模型，可以捕获原子级变换信息，并有助于我们的方法优于现有方法，通过大边距。实验结果表明，我们的方法可以在USPTO-50K数据集中生产328个测试反应的新型模板，包括训练模板未涵盖的21个测试反应。

生物医学网络是与疾病网络的蛋白质相互作用的普遍描述符，从蛋白质相互作用，一直到医疗保健系统和科学知识。随着代表学习提供强大的预测和洞察的显着成功，我们目睹了表现形式学习技术的快速扩展，进入了这些网络的建模，分析和学习。在这篇综述中，我们提出了一个观察到生物学和医学中的网络长期原则 - 而在机器学习研究中经常出口 - 可以为代表学习提供概念基础，解释其当前的成功和限制，并告知未来进步。我们综合了一系列算法方法，即在其核心利用图形拓扑到将网络嵌入到紧凑的向量空间中，并捕获表示陈述学习证明有用的方式的广度。深远的影响包括鉴定复杂性状的变异性，单细胞的异心行为及其对健康的影响，协助患者的诊断和治疗以及制定安全有效的药物。

分子表示学习有助于多个下游任务，例如分子性质预测和药物设计。为了适当地代表分子，图形对比学习是一个有前途的范式，因为它利用自我监督信号并没有人类注释要求。但是，先前的作品未能将基本域名知识纳入图表语义，因此忽略了具有共同属性的原子之间的相关性，但不通过键连接连接。为了解决这些问题，我们构建化学元素知识图（KG），总结元素之间的微观关联，并提出了一种用于分子代表学习的新颖知识增强的对比学习（KCL）框架。 KCL框架由三个模块组成。第一个模块，知识引导的图形增强，基于化学元素kg增强原始分子图。第二模块，知识意识的图形表示，利用用于原始分子图的公共曲线图编码器和通过神经网络（KMPNN）的知识感知消息来提取分子表示来编码增强分子图中的复杂信息。最终模块是一种对比目标，在那里我们在分子图的这两个视图之间最大化协议。广泛的实验表明，KCL获得了八个分子数据集上的最先进基线的优异性能。可视化实验适当地解释了在增强分子图中从原子和属性中了解的KCL。我们的代码和数据可用于补充材料。

基于深度学习的分子建模的最新进步令人兴奋地加速硅药发现。可获得血清的生成模型，构建原子原子和键合或逐片键的分子。然而，许多药物发现项目需要固定的支架以存在于所生成的分子中，并纳入该约束仅探讨了该约束。在这里，我们提出了一种基于图形的模型，其自然地支持支架作为生成过程的初始种子，这是可能的，因为它不调节在发电历史上。我们的实验表明，Moler与最先进的方法进行了相当的方法，在无约会的分子优化任务上，并且在基于脚手架的任务上优于它们，而不是比现有方法从培训和样本更快的数量级。此外，我们展示了许多看似小设计选择对整体性能的影响。

Molecular "fingerprints" encoding structural information are the workhorse of cheminformatics and machine learning in drug discovery applications. However, fingerprint representations necessarily emphasize particular aspects of the molecular structure while ignoring others, rather than allowing the model to make datadriven decisions. We describe molecular graph convolutions, a machine learning architecture for learning from undirected graphs, specifically small molecules. Graph convolutions use a simple encoding of the molecular graph-atoms, bonds, distances, etc.-which allows the model to take greater advantage of information in the graph structure. Although graph convolutions do not outperform all fingerprint-based methods, they (along with other graph-based methods) represent a new paradigm in ligand-based virtual screening with exciting opportunities for future improvement.

深度生成模型吸引了具有所需特性的分子设计的极大关注。大多数现有模型通过顺序添加原子来产生分子。这通常会使产生的分子与目标性能和低合成可接近性较少。诸如官能团的分子片段与分子性质和合成可接近的比原子更密切相关。在此，我们提出了一种基于片段的分子发生模型，其通过顺序向任何给定的起始分子依次向任何给定的起始分子添加分子片段来设计具有靶性质的新分子。我们模型的一个关键特征是属性控制和片段类型方面的高概括能力。通过以自动回归方式学习各个片段对目标属性的贡献来实现前者。对于后者，我们使用深神经网络，其从两个分子的嵌入载体中预测两个分子的键合概率作为输入。在用金砖石分解方法制备片段文库的同时隐式考虑所生成的分子的高合成可用性。我们表明该模型可以以高成功率同时控制多个目标性质的分子。即使在培训数据很少的财产范围内，它也与看不见的片段同样很好地工作，验证高概括能力。作为一种实际应用，我们证明，在对接得分方面，该模型可以产生具有高结合亲和力的潜在抑制剂，其抗对接得分的3CL-COV-2。