Nowe narzędzie opracowano z myślą o przyspieszeniu poszukiwań w obszarze tzw. organokatalizy asymetrycznej. Jest to dziedzina chemii zajmująca się otrzymywaniem cząsteczek chiralnych przy użyciu katalizatorów organicznych.

Związki chiralne mogą występować w dwóch formach będących swoimi lustrzanymi odbiciami (tzw. enancjomery), podobnie jak lewa i prawa dłoń. Choć obie formy mają takie same właściwości w środowisku niechiralnym, mogą odmiennie oddziaływać z cząsteczkami tworzącymi organizm człowieka, co ma ogromne znaczenie m.in. w projektowaniu leków. Wyzwaniem jest m.in. opracowanie metod selektywnego otrzymywania tylko jednej z lustrzanych odmian przy pominięciu tworzenia tej drugiej.

Sprawdzanie wyniku pojedynczej reakcji enancjoselektywnej dla danych warunków przez doświadczonego chemika przeważnie zajmuje kilka godzin. System stworzony w IChO PAN zautomatyzował ten proces.

Konstrukcja opiera się na robocie do przenoszenia cieczy, który porusza się w trzech osiach. Urządzenie korzysta ze specjalnej igły połączonej ze zdalnie sterowaną pompą strzykawkową oraz reaktorów z wydrukowanymi w technologii 3D statywami na fiolki. System posiada także moduły umożliwiające chłodzenie i ogrzewanie próbek od -40°C do około 90°C.

- Stworzony przez nas robot sam przeprowadzał reakcje: mieszał ze sobą przygotowane wcześniej roztwory reagentów, a następnie analizował mieszaniny reakcyjne określając nadmiar enacjomeryczny produktów. Używał przy tym modułu analitycznego opartego na chromatografii - powiedział PAP Patryk Klochowicz, doktorant z IChO PAN, który opracował rozwiązanie. Wynik opublikowano w „Nature Communications”.

Dzięki zastosowaniu dwóch takich modułów analitycznych naukowcy mogli analizować od 40 do 50 mieszanin reakcyjnych dziennie. Urządzenie pracowało bez przerwy, również w nocy i w weekendy.

W drugiej części pracy wyposażono robota w algorytm sztucznej inteligencji, który potrafi autonomicznie podejmować decyzje dotyczące warunków kolejnych eksperymentów. Głównym celem jego działań miało być ustalenie, czy dwie substancje w ogóle ze sobą reagują.

Robot kontrolował temperaturę oraz czas prowadzenia reakcji i na podstawie wyników analiz chromatograficznych decydował, czy produkt powstał, wskazywał go i określał, czy jest chiralny.

Do sterowania robotem wykorzystano głębokie uczenie przez wzmocnienie (ang. deep reinforcement learning). Zanim system zaczął podejmować decyzje w laboratorium, przeszedł cyfrowe szkolenie - miał dostęp do dwóch środowisk symulujących przebieg reakcji chemicznych oraz wyniki rozdziałów chromatograficznych, uwzględniające analizy chiralne. Za wyniki w tych środowiskach agenci AI byli nagradzani. I tak trening pierwszego agenta wymagał 20 milionów interakcji ze środowiskiem, a drugiego 10 milionów. – Przeprowadzenie tego na żywo w laboratorium byłoby całkowicie niemożliwe – ocenił doktorant. - Kiedy agenci nauczyli się optymalnego zachowania w symulacji, przenieśliśmy ich na fizyczną platformę.

Naukowiec podkreśla, że automatyzacja oraz sztuczna inteligencja nie zastąpi badaczy w kreowaniu nowych kierunków naukowych. – Złożoność chemii organicznej jest na tyle duża, że umiejętność abstrakcyjnego myślenia oraz ludzka intuicja w nadaniu kierunku badań pozostaje niezastąpiona. Niemniej jednak wiele aspektów pracy badawczej może być częściowo lub całkowicie zautomatyzowane - wskazał Klochowicz.

– Liczbę teoretycznie możliwych do stworzenia cząsteczek organicznych o właściwościach potencjalnie przydatnych w projektowaniu leków szacuje się na 10^60, co przewyższa liczbę atomów w Układzie Słonecznym. Automatyzacja może pomóc w sprawniejszym badaniu tego obszaru – podsumował Patryk Klochowicz. 

Nauka w Polsce, Ludwika Tomala 

lt/ agt/