Robot z IChO PAN samodzielnie prowadził eksperymenty i znalazł cztery nowe reakcje chemiczne

Przez miesiąc urządzenie samodzielnie wykonywało doświadczenia, oceniało otrzymane rezultaty i decydowało, jaki powinien być kolejny krok eksperymentu. Robot skonstruowany w Instytucie Chemii Organicznej PAN w Warszawie podjął w tym czasie ponad 3000 decyzji, co doprowadziło do znalezienia czterech nieznanych wcześniej reakcji chemicznych. Zespół badawczy nie musiał za każdym razem wskazywać maszynie, jakie parametry eksperymentu ma sprawdzić.

Według informacji portalu Nauka w Polsce, system jest w stanie samodzielnie przygotowywać mieszaniny odczynników, regulować temperaturę procesu oraz badać powstałe produkty. Celem tych działań jest wyszukiwanie nowych dróg syntezy cząsteczek, których trójwymiarowa struktura ma kluczowe znaczenie między innymi w przemyśle farmaceutycznym.

Miesiąc nieprzerwanej pracy i cztery nowe reakcje na koncie robota

Za projektem stoi zespół z Instytutu Chemii Organicznej Polskiej Akademii Nauk pod kierownictwem dr. Jarosława M. Grandy. W publikacji, która ukazała się w Nature Communications, badacze przedstawili eksperyment polegający na samodzielnym testowaniu przez maszynę reakcji asymetrycznych. W trakcie 30 dni system wygenerował ponad 3000 decyzji, a spośród 100 przeanalizowanych reakcji wyłoniono cztery nowe przemiany cechujące się wysoką enancjoselektywnością.

Warto wyjaśnić, że liczba 3000 nie oznacza tylu samodzielnych doświadczeń przeprowadzonych fizycznie przez robota. To raczej suma wszystkich wyborów podejmowanych przez oprogramowanie, w tym decyzji o kontynuowaniu badań nad konkretnymi warunkami reakcji. Samo odkrycie nie polega też na uzyskaniu czterech zupełnie nowych związków chemicznych czy pierwiastków - chodzi o nowatorskie metody prowadzenia przemian chemicznych.

Samodzielne mieszanie i analiza - bez udziału człowieka

Urządzenie zbudowano z robota przenoszącego ciecze, który porusza się w trzech osiach. Specjalna igła podłączona do pompy strzykawkowej zaciąga wcześniej przygotowane roztwory i przenosi je do fiolek, których uchwyty wydrukowano w technologii 3D. System obsługuje reakcje w zakresie temperatur od -40 do około 90 stopni Celsjusza. Po zakończeniu doświadczenia próbka trafia do analizy metodą chromatografii, dzięki czemu można rozdzielić i zidentyfikować poszczególne składniki mieszaniny.

Dwa moduły analityczne umożliwiały zbadanie od 40 do 50 mieszanin w ciągu doby. Co istotne, maszyna mogła działać również nocą i w weekendy, czyli w czasie, gdy klasyczne laboratorium zwykle stoi puste z powodu braku personelu. To nie pierwszy przypadek automatyzacji procesów badawczych - wcześniej opisywaliśmy laboratorium MIT, gdzie robot samodzielnie konfiguruje układy optyczne i przygotowuje eksperymenty. Polskie rozwiązanie idzie jednak krok dalej, bo automatyzuje nie tylko czynności laboratoryjne, ale też wybór kolejnych reakcji wartych zbadania.

Decyzje podejmuje algorytm oparty na głębokim uczeniu przez wzmocnienie - metodzie, w której system uczy się na bazie efektów własnych działań, otrzymując nagrody za wybory zbliżające go do zamierzonego celu. Zanim oprogramowanie zaczęło faktycznie sterować robotem, zespół stworzył dwa wirtualne środowiska odwzorowujące przebieg eksperymentów oraz wyniki analiz chromatograficznych. Jeden agent AI przeszedł 20 milionów interakcji treningowych, drugi - 10 milionów. Wypracowane w ten sposób strategie przeniesiono dopiero później na fizyczne urządzenie.

Dzięki takiemu podejściu robot samodzielnie ustalał czas trwania reakcji, dobierał temperaturę i oceniał, czy dany kierunek badań ma sens kontynuacji. Nie potrzebował gotowej instrukcji od chemika przy każdym kroku. Podobne zastosowanie algorytmów opisywaliśmy niedawno przy okazji badań nad przekształcaniem dwutlenku węgla w metanol, gdzie sztuczna inteligencja pomogła przeanalizować tysiące możliwych przemian. Warszawska maszyna poszła o krok dalej, bo sama wykonywała doświadczenia i interpretowała ich rezultaty.

Nowe reakcje z potencjałem dla projektowania leków

Badacze skoncentrowali się na organokatalizie asymetrycznej, czyli dziedzinie chemii, w której katalizatory organiczne umożliwiają otrzymywanie związków o ściśle określonej strukturze przestrzennej. Niektóre cząsteczki istnieją w dwóch formach będących swoimi lustrzanymi odbiciami - podobnie jak lewa i prawa dłoń, które wyglądają tak samo, ale nie da się ich na siebie nałożyć. W organizmie takie odmiany mogą działać zupełnie inaczej, dlatego kontrola nad ich powstawaniem jest kluczowa przy opracowywaniu substancji leczniczych.

Wśród czterech odkrytych przemian jedna prowadzi do związku o chiralności osiowej, natomiast trzy pozostałe pozwalają na syntezę allenów - związków z charakterystycznym układem dwóch wiązań podwójnych. Jeden z rezultatów dotyczy pierwszej enancjoselektywnej funkcjonalizacji fragmentu cząsteczki określanego jako pirolopirol.

To kolejny etap kierunku badań, który pojawiał się już przy okazji robotycznej platformy chemicznej rozwijanej w Korei Południowej, w której brali udział także polscy naukowcy. Oba projekty pokazują, w jaki sposób automatyzacja umożliwia badanie reakcji, które trudno byłoby przeanalizować wyłącznie metodami ręcznymi.

Maszyna odciąża chemików, ale ich nie zastępuje

Autorzy badania zaznaczają, że urządzenie nie prowadzi w pełni samodzielnych badań naukowych. To zespół ludzi określił obszar poszukiwań, przygotował substraty, zbudował aparaturę i opracował metodę analizy wyników. Dodatkowej charakterystyki wymagały również same odkryte produkty.

Robot działał wyłącznie w obrębie określonej grupy reakcji z wykorzystaniem chiralnych kwasów fosforowych. Nie wiadomo jeszcze, czy równie dobrze poradziłby sobie z zupełnie innymi typami procesów chemicznych. Nie ma też na razie podstaw, by twierdzić, że odkryte przemiany szybko przełożą się na powstanie nowych leków.

Najważniejsze jest jednak to, że naukowcy mogą przekazać maszynie powtarzalne, czasochłonne doświadczenia, a także część decyzji dotyczących dalszych kierunków badań. Dzięki temu sami zyskują więcej czasu na projektowanie nowych ścieżek eksperymentalnych i interpretację uzyskanych wyników.