Geleid door kunstmatige intelligentie en aangedreven door een robotplatform, een systeem ontwikkeld door MIT-onderzoekers komt een stap dichter bij het automatiseren van de productie van kleine moleculen die in de geneeskunde kunnen worden gebruikt, zonne energie, en polymeerchemie.

Het systeem, beschreven in het nummer van 8 augustus van Wetenschap , bankchemici kunnen verlossen van een verscheidenheid aan routinematige en tijdrovende taken, en kan mogelijkheden suggereren voor het maken van nieuwe moleculaire verbindingen, volgens de studieleiders Klavs F. Jensen, de Warren K. Lewis hoogleraar chemische technologie, en Timothy F. Jamison, de Robert R. Taylor Professor of Chemistry en associate provost aan het MIT.

De technologie "belooft mensen te helpen alle vervelende onderdelen van het bouwen van moleculen weg te werken, " inclusief het opzoeken van potentiële reactiepaden en het bouwen van de componenten van een moleculaire assemblagelijn telkens wanneer een nieuw molecuul wordt geproduceerd, zegt Jensen.

"En als chemicus, het kan je inspiratie geven voor nieuwe reacties waar je nog niet eerder aan had gedacht, " hij voegt toe.

Andere MIT-auteurs op de Science-paper zijn Connor W. Coley, Dale A. Thomas III, Justin A.M. Lummiss, Jonathan N. Jaworski, Christopher P. Breen, Victor Schultz, Travis Hart, Joshua S. Fishman, Lucas Rogers, Hanyu Gao, Robert W. Hicklin, Pieter P. Plehiers, Joshua Byington, John S. Piotti, William H. Groen, en A. John Hart.

Van inspiratie tot recept tot eindproduct

Het nieuwe systeem combineert drie hoofdstappen. Eerst, software geleid door kunstmatige intelligentie suggereert een route voor het synthetiseren van een molecuul, dan bekijken deskundige chemici deze route en verfijnen het tot een chemisch "recept, " en ten slotte wordt het recept naar een robotplatform gestuurd dat automatisch de hardware assembleert en de reacties uitvoert die het molecuul bouwen.

Coley en zijn collega's werken al meer dan drie jaar aan de ontwikkeling van de open-source softwaresuite die mogelijke syntheseroutes suggereert en prioriteert. De kern van de software zijn verschillende neurale netwerkmodellen, die de onderzoekers hebben getraind op miljoenen eerder gepubliceerde chemische reacties die zijn ontleend aan de databases van Reaxys en het U.S. Patent and Trademark Office. De software gebruikt deze gegevens om de reactietransformaties en omstandigheden te identificeren die volgens haar geschikt zijn voor het bouwen van een nieuwe verbinding.

"Het helpt bij het nemen van beslissingen op hoog niveau over welke soorten tussenproducten en uitgangsmaterialen moeten worden gebruikt, en dan iets meer gedetailleerde analyses over welke voorwaarden je zou willen gebruiken en of die reacties waarschijnlijk succesvol zijn, ' zegt Coley.

"Een van de belangrijkste drijfveren achter het ontwerp van de software is dat het je niet alleen suggesties geeft voor moleculen die we kennen of reacties die we kennen, " merkt hij op. "Het kan generaliseren naar nieuwe moleculen die nog nooit zijn gemaakt."

Chemici bekijken vervolgens de voorgestelde syntheseroutes die door de software worden geproduceerd om een ​​vollediger recept voor het doelmolecuul te bouwen. De chemici moeten soms laboratoriumexperimenten uitvoeren of sleutelen aan reagensconcentraties en reactietemperaturen, onder andere veranderingen.

"Ze halen een deel van de inspiratie uit de AI en zetten dat om in een uitvoerbaar receptbestand, grotendeels omdat de chemische literatuur op dit moment niet genoeg informatie heeft om direct van inspiratie naar uitvoering op een geautomatiseerd systeem te gaan, ' zegt Jamison.

Het uiteindelijke recept wordt vervolgens op een platform geladen waar een robotarm modulaire reactoren assembleert, scheidingstekens, en andere verwerkingseenheden in een continu stroompad, verbindende pompen en lijnen die de moleculaire ingrediënten binnenbrengen.

"Je laadt het recept - dat is wat het robotplatform bestuurt - je laadt de reagentia op, en druk op gaan, en dat stelt je in staat om het molecuul van belang te genereren, " zegt Thomas. "En als het dan klaar is, het spoelt het systeem door en u kunt de volgende set reagentia en recept laden, en laat het lopen."

In tegenstelling tot het continuous flow systeem dat de onderzoekers vorig jaar presenteerden, die na elke synthese handmatig moesten worden geconfigureerd, het nieuwe systeem wordt volledig geconfigureerd door het robotplatform.

"Dit geeft ons de mogelijkheid om het ene molecuul na het andere te sequensen, evenals het genereren van een bibliotheek van moleculen op het systeem, autonoom, ' zegt Jensen.

Het ontwerp voor het platform, die ongeveer twee kubieke meter groot is - iets kleiner dan een standaard chemische zuurkast - lijkt op een telefooncentrale en een operatorsysteem dat verbindingen tussen de modules op het platform verplaatst.

"De robotarm is wat ons in staat stelde om de fluïdische paden te manipuleren, waardoor het aantal procesmodules en de fluïdische complexiteit van het systeem zijn verminderd, en door de fluïdische complexiteit te verminderen, kunnen we de moleculaire complexiteit vergroten, ", zegt Thomas. "Daardoor konden we extra reactiestappen toevoegen en de reeks reacties uitbreiden die op het systeem binnen een relatief kleine footprint konden worden voltooid."

Op weg naar volledige automatisering

De onderzoekers testten het volledige systeem door 15 verschillende medicinale kleine moleculen te maken met verschillende synthesecomplexiteit, met processen die tussen de twee uur duren voor de eenvoudigste creaties tot ongeveer 68 uur voor het maken van meerdere verbindingen.

Het team synthetiseerde een verscheidenheid aan verbindingen:aspirine en het antibioticum secnidazol in back-to-back processen; de pijnstiller lidocaïne en het anti-angst medicijn diazepam in back-to-back processen met behulp van een gemeenschappelijke grondstof van reagentia; de bloedverdunner warfarine en het medicijn tegen de ziekte van Parkinson safinamide, om te laten zien hoe de software verbindingen kan ontwerpen met vergelijkbare moleculaire componenten maar met verschillende 3D-structuren; en een familie van vijf ACE-remmers en een familie van vier niet-steroïde anti-inflammatoire geneesmiddelen.

"Ik ben vooral trots op de diversiteit van de chemie en de soorten verschillende chemische reacties, " zegt Jamison, die zei dat het systeem ongeveer 30 verschillende reacties verwerkte in vergelijking met ongeveer 12 verschillende reacties in het vorige continue stroomsysteem.

"We proberen echt de kloof te dichten tussen het genereren van ideeën uit deze programma's en wat nodig is om daadwerkelijk een synthese uit te voeren, ", zegt Coley. "We hopen dat de volgende generatie systemen de fractie van tijd en moeite die wetenschappers hun inspanningen kunnen richten op creativiteit en design verder zullen vergroten."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.