Polski robot odkrył cztery nowe reakcje. Chemicy oddali mu stery w laboratorium

Przez 30 dni prowadził doświadczenia, analizował wyniki i sam decydował, co zrobić dalej. Robot z Instytutu Chemii Organicznej PAN w Warszawie podjął ponad 3000 decyzji i pomógł odkryć cztery nieopisane wcześniej reakcje chemiczne. Naukowcy nie musieli przy każdym eksperymencie mówić mu, jakie warunki powinien sprawdzić.

Jak czytamy na łamach portalu Nauka w Polsce, maszyna potrafi samodzielnie mieszać odczynniki, zmieniać temperaturę i analizować otrzymane produkty. Wszystko po to, by poszukiwać nowych sposobów wytwarzania cząsteczek, których przestrzenna budowa ma ogromne znaczenie m.in. dla farmacji.

Urządzenie opracował zespół Instytutu Chemii Organicznej Polskiej Akademii Nauk, kierowany przez dr. Jarosława M. Grandę. W badaniu opublikowanym w Nature Communications naukowcy opisali eksperyment, podczas którego system samodzielnie badał możliwości przeprowadzania reakcji asymetrycznych. W ciągu 30 dni podjął ponad 3000 decyzji, a analiza 100 wybranych reakcji doprowadziła do odkrycia czterech nowych przemian o wysokiej enancjoselektywności.

Nie oznacza to jednak, że robot wykonał dokładnie 3000 doświadczeń. Liczba ta obejmuje decyzje podejmowane przez oprogramowanie, m.in. dotyczące dalszego badania określonych warunków. Samo odkrycie również nie polegało na stworzeniu czterech nowych pierwiastków czy substancji o nieznanym wcześniej składzie. Chodzi o nowe sposoby przeprowadzania przemian chemicznych.

Konstrukcja składa się z robota do przenoszenia cieczy poruszającego się w trzech osiach. Specjalna igła połączona z pompą strzykawkową pobiera przygotowane wcześniej roztwory i umieszcza je w fiolkach. Ich uchwyty naukowcy wykonali za pomocą druku 3D. System pozwala prowadzić reakcje w temperaturach od -40 do około 90 st. C. Po zakończeniu doświadczenia analizuje mieszaninę metodą chromatografii, która umożliwia rozdzielanie i identyfikowanie jej składników.

Dwa moduły analityczne pozwalały natomiast badać od 40 do 50 mieszanin dziennie. Urządzenie mogło pracować także w nocy i w weekendy, gdy tradycyjne laboratorium zwykle wymaga obecności pracowników. Zauważmy, że nie jest to pierwszy przykład automatyzacji badań. Opisywaliśmy już laboratorium MIT, w którym robot samodzielnie konfiguruje układy optyczne i przygotowuje eksperymenty. Polski projekt automatyzuje jednak nie tylko wykonywanie czynności, ale także wybór kolejnych reakcji chemicznych, które warto zbadać.

Za podejmowanie decyzji odpowiada algorytm głębokiego uczenia przez wzmocnienie. To metoda, w której system uczy się na podstawie rezultatów własnych działań, otrzymując nagrody za wybory przybliżające go do określonego celu. Zanim oprogramowanie zaczęło sterować prawdziwym robotem, naukowcy przygotowali dwa wirtualne środowiska. Symulowały przebieg doświadczeń i wyniki analiz chromatograficznych. Pierwszy agent AI przeszedł 20 mln interakcji treningowych, a drugi 10 mln. Dopiero później wyuczone strategie przeniesiono na rzeczywiste urządzenie.

Dzięki temu robot potrafił zdecydować, jak długo prowadzić reakcję, jaką temperaturę zastosować i czy dany kierunek badań warto kontynuować. Nie musiał za każdym razem otrzymywać gotowej listy czynności od chemika. Podobne wykorzystanie algorytmów w nauce opisywaliśmy niedawno przy badaniach nad zamianą dwutlenku węgla w metanol. Tam sztuczna inteligencja pomogła przeanalizować tysiące potencjalnych przemian. Warszawski robot dodatkowo sam wykonywał doświadczenia i analizował ich wyniki.

Naukowcy skupili się na organokatalizie asymetrycznej. Jest to dziedzina chemii, w której katalizatory organiczne pomagają otrzymywać cząsteczki o określonej budowie przestrzennej. Niektóre związki występują w dwóch odmianach będących swoimi lustrzanymi odbiciami. Można porównać je do lewej i prawej dłoni: wyglądają podobnie, ale nie da się ich idealnie na siebie nałożyć. W organizmie takie cząsteczki potrafią działać odmiennie, dlatego kontrolowanie ich powstawania jest szczególnie ważne podczas projektowania substancji leczniczych.

Spośród odkrytych czterech przemian jedna prowadzi do związku wykazującego chiralność osiową. Trzy pozostałe umożliwiają syntezę allenów, czyli związków zawierających charakterystyczny układ dwóch wiązań podwójnych. Jeden z wyników dotyczy pierwszej enancjoselektywnej funkcjonalizacji określonego fragmentu cząsteczki nazywanego pirolopirolem.

To kontynuacja kierunku badań, który opisywaliśmy już przy okazji robotycznej platformy chemicznej rozwijanej w Korei Południowej z udziałem polskich naukowców. Oba projekty pokazują, jak automatyzacja pozwala badać reakcje trudne do przeanalizowania wyłącznie ręcznie.

Autorzy podkreślają, że urządzenie nie prowadzi całkowicie niezależnych badań naukowych. To ludzie wyznaczyli obszar poszukiwań, przygotowali substraty, skonstruowali aparaturę i opracowali sposób analizy. Odkryte produkty wymagały również dodatkowej charakterystyki.

Przeczytaj także:

Robot działał w określonej grupie reakcji wykorzystujących chiralne kwasy fosforowe. Nie wiadomo jeszcze, czy równie skutecznie poradzi sobie z zupełnie innymi procesami chemicznymi. Nie ma też oczywiście żadnych podstaw, by zakładać, że odkryte przemiany już teraz doprowadzą do powstania nowych leków.

Najważniejsze jest jednak to, że chemicy mogą powierzyć maszynie powtarzalne doświadczenia, a także część decyzji dotyczących tego, co warto sprawdzić następnie. Sami zyskują czas na projektowanie nowych kierunków badań i interpretowanie rezultatów.

*Źródło grafiki wprowadzającej: MichalLudwiczak, Getty Images Signature, Canva Pro / Canva Pro