SMILES

Το σύστημα απλοποιημένης μοριακής γραμμικής γραφής (simplified molecular-input line-entry system ή SMILES) είναι μια προδιαγραφή με τη μορφή μιας γραμμικής σημειογραφίας για την περιγραφή της δομής των χημικών ειδών χρησιμοποιώντας σύντομες συμβολοσειρές ASCII. Οι συμβολοσειρές SMILES μπορούν να εισαχθούν από τους περισσότερους μοριακούς επεξεργαστές για μετατροπή πάλι σε δισδιάστατα σχέδια ή τρισδιάστατα πρότυπα των μορίων.

Η αρχική προδιαγραφή SMILES ξεκίνησε από τον συγγραφέα Ντέιβιντ Γουάινιγκερ (David Weininger) σε εργαστήριο του USEPA στη Μινεσότα τη δεκαετία του 1980. Έχει αναγνωριστεί η συμμετοχή των Gilman Veith και Rose Russo (USEPA), Albert Leo και Corwin Hansch στο Κολέγιο Pomona για υποστήριξη της εργασίας στα αρχικά στάδια, καθώς και των Arthur Weininger (Pomona, Daylight CIS) και Jeremy Scofield (Cedar River Software, Renton, WA) για τη βοήθειά τους στον προγραμματισμό του συστήματος. Η υπηρεσία προστασίας του περιβάλλοντος (Environmental Protection Agency) χρηματοδότησε το αρχικό σχέδιο ανάπτυξης του SMILES.

Από τότε έχει τροποποιηθεί και επεκταθεί από άλλους και κυρίως από το Daylight Chemical Information Systems. Το 2007, ένα ανοικτό πρότυπο που λέγεται "OpenSMILES" αναπτύχθηκε από την κοινότητα ανοικτού λογισμικού χημείας Blue Obelisk. Άλλες 'γραμμικές'  σημειογραφίες περιλαμβάνουν τα Wiswesser Line Notation (WLN), ROSDAL και SYBYL Line Notation (SLN) (Tripos Inc).

Τον Ιούλιο του 2006, η IUPAC εισήγαγε το International Chemical Identifier (InChI) ως ένα πρότυπο για αναπαράσταση τύπων. Το SMILES θεωρείται γενικά ότι έχει το πλεονέκτημα να είναι ελαφρώς πιο εύκολο στην ανάγνωση από τους ανθρώπους από το InChI. Έχει, επίσης, μια πλατιά βάση υποστήριξης λογισμικού με εκτεταμένη θεωρητική υποστήριξη (π.χ. Θεωρία γράφων).

Ορολογία
Ο όρος SMILES αναφέρεται σε μια γραμμική σημειογραφία για κωδικοποίηση μοριακών δομών και συγκεκριμένων στιγμιοτύπων που πρέπει να αποκαλούνται αυστηρά συμβολοσειρές SMILES. Όμως, ο όρος SMILES χρησιμοποιείται επίσης, συνήθως, για να αναφέρεται και σε μια μοναδική συμβολοσειρά SMILES και σε έναν αριθμό συμβολοσειρών SMILES. Το ακριβές  νόημα είναι συνήθως φανερό από το περιεχόμενο. Οι όροι "κανονικός" και "ισομερής" μπορεί να οδηγήσουν σε κάποια σύγχυση όταν εφαρμόζονται στο SMILES.  Οι όροι περιγράφουν διαφορετικά χαρακτηριστικά των συμβολοσειρών SMILES και δεν αποκλείονται αμοιβαία.

Ένας αριθμός από εξίσου έγκυρες συμβολοσειρές SMILES, συνήθως, μπορεί να γραφτεί για ένα μόριο. Παραδείγματος χάρη, CCO, OCC και C(O)C καθορίζουν όλα τη δομή της αιθανόλης. Έχουν αναπτυχθεί αλγόριθμοι για να δημιουργήσουν την ίδια συμβολοσειρά SMILES για ένα δεδομένο μόριο· από τις πολλές δυνατές συμβολοσειρές, αυτοί οι αλγόριθμοι επιλέγουν μόνο μία. Αυτό το SMILES είναι μοναδικό για κάθε δομή, αν και εξαρτάται από τον χρησιμοποιούμενο αλγόριθμο κανονικοποίησης που το δημιουργεί και ορίζεται ως κανονικό SMILES. Αυτοί οι αλγόριθμοι μετατρέπουν πρώτα το SMILES σε μια εσωτερική αναπαράσταση της μοριακής δομής· έπειτα, ένας αλγόριθμος εξετάζει αυτήν τη δομή και παράγει μια μοναδική συμβολοσειρά SMILES. Έχουν αναπτυχθεί διάφοροι αλγόριθμοι για τη δημιουργία κανονικών SMILES και περιλαμβάνουν τους αλγόριθμους από το Daylight Chemical Information Systems, το OpenEye Scientific Software, το MEDIT, το Chemical Computing Group, το MolSoft LLC  και το Chemistry Development Kit. Μια συνηθισμένη εφαρμογή του κανονικού SMILES είναι η δεικτοδότηση και η εξασφάλιση της μοναδικότητας των μορίων σε μια χημική βάση δεδομένων.

Το αρχικό άρθρο που περιέγραφε τον αλγόριθμο CANGEN ισχυριζόταν ότι παρήγαγε μοναδικές συμβολοσειρές SMILES για γραφικές αναπαραστάσεις μορίων, αλλά ο αλγόριθμος αποτύγχανε για κάποιες απλές περιπτώσεις (π.χ. 1,2-δικυκλοπροπυλαιθάνιο) και δεν μπορεί να θεωρηθεί ως μια σωστή μέθοδος για κανονική αναπαράσταση ενός γραφήματος.  Δεν υπάρχει καμιά συστηματική σύγκριση μεταξύ των εμπορικών λογισμικών για να ελεγχθούν αν τέτοια ελαττώματα υπάρχουν σε αυτά τα πακέτα.

Η σημειογραφία SMILES επιτρέπει τον ορισμό της διαμόρφωσης σε κέντρα τετράεδρων και γεωμετρία διπλού δεσμού. Αυτά είναι δομικά χαρακτηριστικά που δεν μπορούν να οριστούν μόνο από τη σύνδεση και το SMILES που κωδικοποιεί αυτήν την πληροφορία ορίζεται ως ισομερές SMILES.  Ένα σημαντικό χαρακτηριστικό αυτών των κανόνων είναι ότι επιτρέπουν αυστηρό μερικό ορισμό της εναντιομέρειας. Ο όρος ισομερές SMILES εφαρμόζεται επίσης  στο SMILES στο οποίο καθορίζονται ισότοπα.

Ορισμός με βάση το γράφημα
Με όρους μιας υπολογιστικής διαδικασίας με βάση ένα γράφημα, το SMILES είναι μια συμβολοσειρά που παίρνεται εκτυπώνοντας τους εμφανιζόμενους κόμβους συμβόλων σε μια διέλευση δένδρου με αναζήτηση κατά βάθος ενός χημικού γραφήματος. Το χημικό γράφημα περικόπτεται αρχικά για να αφαιρεθούν τα άτομα του υδρογόνου και οι κύκλοι ανοίγουν για να το μετατρέψουν σε ένα επικαλύπτον δένδρο. Όπου έχουν σπάσει κύκλοι, συμπεριλαμβάνονται αριθμητικές ετικέτες επιθημάτων για να δείξουν τους συνδεδεμένους κόμβους. Οι παρενθέσεις χρησιμοποιούνται για να δείξουν σημεία διακλάδωσης στο δένδρο.

Παραδείγματα

Άτομα
Τα άτομα αναπαριστώνται με την τυπική συντόμευση των χημικών στοιχείων, σε αγκύλες, όπως [Au] για τον χρυσό. Οι αγκύλες μπορούν να παραληφθούν για το "οργανικό υποσύνολο" των B, C, N, O, P, S, F, Cl, Br και I. Όλα τα άλλα στοιχεία πρέπει να περικλείονται σε αγκύλες. Αν παραλείπονται οι αγκύλες, υποτίθεται ότι είναι ο κατάλληλος αριθμός των υπονοούμενων ατόμων υδρογόνου· παραδείγματος χάρη, το SMILES για το νερό είναι απλώς O.

Ένα άτομο που έχει ένα ή περισσότερα ηλεκτρικά φορτία περικλείεται σε αγκύλες, ακολουθούμενο από το σύμβολο Η αν είναι συνδεμένο με ένα ή περισσότερα άτομα υδρογόνου, που ακολουθείται από τον αριθμό των ατόμων του υδρογόνου (ως συνήθως το ένα παραλείπεται, π.χ. NH4 για το αμμώνιο), έπειτα το σύμβολο '+' για ένα θετικό φορτίο ή '-' για ένα αρνητικό φορτίο. Ο αριθμός των φορτίων καθορίζεται μετά το σύμβολο (εκτός και είναι μόνο ένα)· όμως, μπορεί να γραφτεί επίσης το σύμβολο τόσες φορές όσες τα φορτία του ιόντος: αντί για "Ti+4", μπορεί να γραφτεί "Ti++++" (τιτάνιο IV, Ti4+). Συνεπώς, το ανιόν υδροξειδίου  απεικονίζεται ως [OH-], το κατιόν οξωνίου ως [OH3+] και το κατιόν κοβαλτίου III (Co3+) είναι είτε [Co+3] ή [Co+++].

Δεσμοί
Δεσμοί μεταξύ ατόμων αλειφατικών ενώσεων θεωρούνται απλοί εκτός και ορίζονται αλλιώς και συνεπάγονται από τη γειτνίαση με τη συμβολοσειρά SMILES. Παραδείγματος χάρη, το SMILES για την αιθανόλη μπορεί να γραφτεί ως CCO. Ετικέτες τερματισμού δακτυλίου χρησιμοποιούνται για να δείξουν τη σύνδεση μεταξύ μη γειτονικών ατόμων στη συμβολοσειρά SMILES, η οποία για το κυκλοεξάνιο και το διοξάνιο μπορούν να γραφτούν ως C1CCCCC1 και O1CCOCC1 αντίστοιχα. Για έναν δεύτερο δακτύλιο, η ετικέτα θα είναι 2 (ναφθαλίνιο: c1cccc2c1cccc2 (σημειώστε πεζό γράμμα για αρωματικές ενώσεις)) κ.ο.κ. Αφού φτάσει το 9, πρέπει να προηγείται στην ετικέτα ένα '%', για να το διαφοροποιήσει από δύο διαφορετικές ετικέτες συνδεμένες στο ίδιο άτομο (~C12~ σημαίνει ότι το άτομο του άνθρακα έχει τις ετικέτες τερματισμού δακτυλίου 1 και 2, ενώ ~C%12~ δείχνει μόνο μια ετικέτα την 12). Διπλοί, τριπλοί και τετραπλοί χημικοί δεσμοί αναπαριστώνται με τα σύμβολα '=', '#', και '$' αντίστοιχα όπως φαίνεται από τα SMILES O=C=Ο (διοξείδιο του άνθρακα), C#N (υδροκυάνιο) και [Ga-]$[As+] (αρσενικούχο γάλλιο).

Αρωματικότητα
Τα αρωματικά άτομα C, O, S και N εμφανίζονται  με πεζά γράμματα 'c', 'o', 's' και 'n' αντίστοιχα. Τα βενζόλιο, πυριδίνη και φουράνιο μπορούν να απεικονιστούν από το SMILES ως c1ccccc1, n1ccccc1 και o1cccc1 αντίστοιχα. Οι δεσμοί μεταξύ των αρωματικών ατόμων είναι, από προεπιλογή, αρωματικοί αν και αυτοί μπορούν να οριστούν σαφώς με το σύμβολο ':'. Τα αρωματικά άτομα μπορούν να ενωθούν μόνο μεταξύ τους και το διφαινύλιο μπορεί να παρασταθεί ως c1ccccc1-c2ccccc2. Το αρωματικά ενωμένο άζωτο με το υδρογόνο, όπως συμβαίνει στο πυρρόλιο πρέπει να παρασταθεί ως [nH] και το ιμιδαζόλιο γράφεται με τη σημειογραφία SMILES ως n1c[nH]cc1.

Οι αλγόριθμοι Daylight και OpenEye για τη δημιουργία κανονικών SMILES διαφέρουν στην συμπεριφορά τους ως προς την αρωματικότητα.

Διακλάδωση
Οι διακλαδώσεις απεικονίζονται με παρενθέσεις, όπως στο CCC(=O)Ο για το προπανικό οξύ και C(F)(F)F για το  τριφθορομεθάνιο. Υποκατεστημένοι δακτύλιοι μπορούν να γραφτούν με το σημείο διακλάδωσης στον δακτύλιο όπως απεικονίζεται από το SMILES COc(c1)cccc1C#N και COc(cc1)ccc1C#N που κωδικοποιεί τα ισομερή της 3 και 4-κυανοανισόλης. Η γραφή του SMILES με αυτόν τον τρόπο για υποκατεστημένους δακτυλίους μπορεί να τους κάνει πιο αναγνώσιμους από τους ανθρώπους.

Στερεοχημεία
Η στερεοχημική δομή γύρω από τους διπλούς δεσμούς καθορίζεται χρησιμοποιώντας τους χαρακτήρες "/" και "\". Παραδείγματος χάρη, το F/C=C/F είναι μια απεικόνιση του ισομερούς trans-1,1-διφθοραιθενίου, στο οποίο τα άτομα φθορίου είναι στις απέναντι πλευρές του διπλού δεσμού, όπου F/C=C\F είναι μια από τις δυνατές αναπαραστάσεις του ισομερούς cis-διφθοραιθενίου, στο οποίο τα F είναι στην ίδια πλευρά του διπλού δεσμού, όπως φαίνεται στο σχήμα.

Η στερεοχημική δομή στον τετραεδρικό άνθρακα καθορίζεται από @ ή @@.  Η L-αλανίνη, το πιο κοινό εναντιομερές του αμινοξέος αλανίνη μπορεί να γραφτεί ως N[C@@H](C)C(=O)O. Ο προσδιοριστής  @@ δείχνει ότι, όταν βλέπετε από το άζωτο μαζί με τον δεσμό στο κέντρο του εναντιομερούς, η σειρά των υποκαταστατών υδρογόνου (H), μεθυλίου (C) και καρβοξυλίου (C(=O)O) εμφανίζονται δεξιόστροφα. Η D-αλανίνη μπορεί να γραφτεί ως N[C@H](C)C(=O)O. Η σειρά των υποκαταστατών στη συμβολοσειρά SMILES  είναι πολύ σημαντική και η D-αλανίνη μπορεί επίσης να κωδικοποιηθεί ως N[C@@H](C(=O)O)C.

Ισότοπα
Τα ισότοπα χαρακτηρίζονται με έναν αριθμό ίσο με την ακέραιη ισοτοπική μάζα που προηγείται του ατομικού συμβόλου. Το  βενζόλιο στο οποίο ένα άτομο άνθρακα-14 γράφεται ως [14c]1ccccc1 και το δευτεριωμένο χλωροφόρμιο είναι [2H]C(Cl)(Cl)Cl.

Εφαρμογή σε μερικά μόρια

Απεικόνιση ενός μορίου με περισσότερους από 9 δακτυλίους, κεφαλοστατίνη-1 (μια στεροειδή τριςδεκακυκλική πυραζίνη με τον εμπειρικό τύπο C54H74N2O10:

Ξεκινώντας με την πιο αριστερή μεθυλομάδα στο σχήμα:

C[C@@](C)(O1)C[C@@H](O)[C@@]1(O2)[C@@H](C)[C@@H]3CC=C4[C@]3(C2)C(=O)C[C@H]5[C@H]4CC[C@@H](C6)[C@]5(C)Cc(n7)c6nc(C[C@@]89(C))c7C[C@@H]8CC[C@@H]%10[C@@H]9C[C@@H](O)[C@@]%11(C)C%10=C[C@H](O%12)[C@]%11(O)[C@H](C)[C@]%12(O%13)[C@H](O)C[C@@]%13(C)CO

Σημειώστε ότι το '%' εμφανίζεται μπροστά από τον δείκτη των ετικετών τερματισμού δακτυλίου πάνω από 9· δείτε την ενότητα Δεσμοί παραπάνω.

Άλλα παραδείγματα του SMILES
Η σημειογραφία SMILES περιγράφεται διεξοδικά στο  εγχειρίδιο θεωρίας SMILES που παρέχεται από την Daylight Chemical Information Systems και εμφανίζονται επεξηγηματικά παραδείγματα. Το περιγραφικό βοήθημα της Daylight παρέχει στους χρήστες τα μέσα να ελέγξουν τα δικά τους παραδείγματα στο SMILES και είναι ένα αξιόλογο εκπαιδευτικό εργαλείο.

Επεκτάσεις
Το SMARTS (Smiles arbitrary target specification) είναι μια γραμμική σημειογραφία για την προδιαγραφή των υποδομικών προτύπων στα μόρια. Αν και χρησιμοποιεί πολλά από τα ίδια σύμβολα με το SMILES, επιτρέπει επίσης άτομα και δεσμούς με χαρακτήρες υποκατάστασης, που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για καθορισμό υποδομικών ερωτημάτων στην αναζήτηση χημικής βάσης δεδομένων. Μια συνηθισμένη παρανόηση είναι ότι η υποδομική αναζήτηση με βάση το SMARTS εμπεριέχει τη συμφωνία των συμβολοσειρών SMILES και SMARTS. Στην πραγματικότητα, και οι δυο συμβολοσειρές  SMILES και SMARTS μετατρέπονται πρώτα σε εσωτερικές γραφικές αναπαραστάσεις που αναζητούνται για ισομορφισμό στο γλωσσάρι της θεωρίας των γράφων. Το SMIRKS είναι μια γραμμική σημειογραφία για καθορισμό των μετασχηματισμών των αντιδράσεων.

Μετατροπή
Το SMILES μπορεί να μετατραπεί πάλι σε δισδιάστατες αναπαραστάσεις χρησιμοποιώντας αλγορίθμους δημιουργίας διαγραμμάτων δομής (Helson, 1999). Αυτή η μετατροπή δεν είναι πάντα σαφής. Η μετατροπή σε τρισδιάστατη αναπαράσταση πετυχαίνεται με προσεγγίσεις ελαχιστοποίησης της ενέργειας. Υπάρχουν πολλά βοηθήματα που μετατροπής που είναι μεταφορτώσιμα και με βάση το διαδίκτυο.

Δείτε επίσης
 Smiles arbitrary target specification. Η γλώσσα SMARTS για προσδιορισμό υποδομικών ερωτημάτων.
 SYBYL Line Notation (μια άλλη γραμμική σημειογραφία)
 Molecular Query Language – Μια γλώσσα ερωτημάτων που επιτρέπει επίσης αριθμητικές ιδιότητες,π.χ. φυσικοχημικές τιμές ή αποστάσεις
 Chemistry Development Kit (δισδιάστατη διάταξη και μετατροπή)
 International Chemical Identifier (InChI), η ελεύθερη και εναλλακτική λύση στο SMILES από την IUPAC.
 OpenBabel, JOELib, OELib (μετατροπή)

Σημειώσεις

Παραπομπές

Εξωτερικοί σύνδεσμοι

Προδιαγραφές
 "SMILES – A Simplified Chemical Language"
 The OpenSMILES home page
 "SMARTS – SMILES Extension"
 Daylight SMILES tutorial
 Parsing SMILES

Προγράμματα λογισμικού σχετικά με το SMILES
 NCI/CADD Chemical Identifier Resolver – Επιλύει ή δημιουργεί SMILES από χημικά ονόματα, αριθμούς καταχώρισης CAS, InChI/InChIKey και από πολλές άλλες μορφές αρχείων χημικής δομής
 NCI/CADD Online SMILES Translator and Structure File Generator – Μια διαδικτυακή μοριακή επεξεργασία με Java
 PubChem server side structure editor – Διαδικτυακή μοριακή επεξεργασία
  smi23d – Δημιουργία τρισδιάστατων συντεταγμένων
 Daylight Depict – Μετάφραση ενός τύπου SMILES σε γραφικά
 GIF/PNG-Creator for 2D Plots of Chemical Structures
 JME molecule editor  - Χημική επεξεργασία/προβολή και δημιουργία SMILES/SMARTS με Java
 JSME molecule editor  - Ελεύθερη χημική επεξεργασία/προβολή και δημιουργία SMILES/SMARTS με JavaScript
 ACD/ChemSketch 
 Marvin από την ChemAxon – Διαδικτυακή χημική επεξεργασία/προβολή και δημιουργία/μετατροπή SMILES
 Instant JChem από την ChemAxon – Εφαρμογή επιφάνειας εργασίας για αποθήκευση/δημιουργία/μετατροπή/οπτικοποίηση/αναζήτηση δομών SMILES, ιδιαίτερα μαζικής αποθήκευσης· ελεύθερη προσωπική χρήση
 JChem for Excel από την ChemAxon – Πρόσθετο MS Excel για αποθήκευση/δημιουργία/μετατροπή/οπτικοποίηση/αναζήτηση δομών SMILES
 Smormo-Ed – Ένας μοριακός επεξεργαστής για Λίνουξ που μπορεί να διαβάσει και να γράψει SMILES
 InChI.info – Μια ανεπίσημη λειτουργία ιστού InChI για διαδικτυακή μετατροπή  από InChI και SMILES σε μοριακά σχέδια
 Balloon – Ένα ελεύθερο πρόγραμμα για δημιουργία τρισδιάστατων συντεταγμένων και  ανάλυση διαμορφώσεων.
 Indigo – Μια διαλειτουργική βιβλιοθήκη ανοιχτού κώδικα χημειοπληροφορικής με ένα πρόσθετο για μόρια με συμβατότητα IUPAC και απόδοση δισδιάστατων αντιδράσεων δομικών τύπων.
 Open Babel – Μια ανοικτού κώδικα χημική εργαλειοθήκη που επιτρέπει σε οποιονδήποτε να αναζητήσει, να μετατρέψει, να αναλύσει ή να αποθηκεύσει βιοχημικά δεδομένα.
 Bioclipse – Ένας ελεύθερος και ανοικτού κώδικα πάγκος εργασίας για τις βιοεπιστήμες.
 MolEngine  – Ένα πακέτο εργαλείων χημειοπληροφορικής .NET για ανάγνωση/εγγραφή SMILES, δημιουργία δισδιάστατων συντεταγμένων από SMILES και μετατροπή από SMILES σε μορφές χημικών αρχείων και αντίστροφα.
 JSDraw  – Μια διαλειτουργική επεξεργασία χημικής δομής javascript για δημιουργία SMILES και SMARTS.

Χημική ονοματολογία