Progettare una nuova sintesi chimica può essere un processo laborioso con una discreta quantità di lavoro faticoso coinvolto:miscelazione di sostanze chimiche, misurare le temperature, analizzando i risultati, poi ricominciare da capo se non funziona.

I ricercatori del MIT hanno ora sviluppato un sistema di sintesi chimica automatizzato che può assumere molti degli aspetti più noiosi della sperimentazione chimica, liberare i chimici per dedicare più tempo agli aspetti più analitici e creativi della loro ricerca.

"Il nostro obiettivo era creare un sistema facile da usare che consentisse agli scienziati di trovare le migliori condizioni per realizzare le loro molecole di interesse:una piattaforma di sintesi chimica generale con la massima flessibilità possibile, "dice Timothy F. Jamison, capo del Dipartimento di Chimica del MIT e uno dei leader del gruppo di ricerca.

Questo sistema potrebbe ridurre la quantità di tempo necessaria per ottimizzare una nuova reazione, da settimane o mesi fino a un solo giorno, dicono i ricercatori. Hanno brevettato la tecnologia e sperano che venga ampiamente utilizzata nei laboratori di chimica accademica e industriale.

"Quando abbiamo deciso di fare questo, volevamo che fosse qualcosa che fosse generalmente utilizzabile in laboratorio e non troppo costoso, " dice Klavs F. Jensen, il Warren K. Lewis Professore di Ingegneria Chimica al MIT, che ha co-guidato il gruppo di ricerca. "Volevamo sviluppare una tecnologia che rendesse molto più facile per i chimici sviluppare nuove reazioni".

L'ex postdoc del MIT Anne-Catherine Bédard e l'ex ricercatore associato del MIT Andrea Adamo sono gli autori principali dell'articolo, che appare nell'edizione online del 20 settembre di Scienza .

Andare con il flusso

Il nuovo sistema si avvale di un tipo di sintesi chimica nota come flusso continuo. Con questo approccio, i reagenti chimici scorrono attraverso una serie di tubi, e nuove sostanze chimiche possono essere aggiunte in punti diversi. Altri processi come la separazione possono anche verificarsi mentre le sostanze chimiche fluiscono attraverso il sistema.

In contrasto, la tradizionale "chimica batch" richiede l'esecuzione di ogni passaggio separatamente, ed è necessario l'intervento umano per spostare i reagenti al passaggio successivo.

Alcuni anni fa, Jensen e Jamison hanno sviluppato un sistema a flusso continuo in grado di produrre rapidamente prodotti farmaceutici su richiesta. Hanno quindi rivolto la loro attenzione a sistemi su scala più piccola che potrebbero essere utilizzati nei laboratori di ricerca, nella speranza di eliminare gran parte della sperimentazione manuale ripetitiva necessaria per sviluppare un nuovo processo per sintetizzare una particolare molecola.

Per ottenere ciò, il team ha progettato un sistema plug-and-play con diversi moduli che possono essere combinati per eseguire diversi tipi di sintesi. Ogni modulo ha le dimensioni di un grande telefono cellulare e può essere collegato a una porta, così come i componenti del computer possono essere collegati tramite porte USB. Alcuni moduli eseguono reazioni specifiche, come quelli catalizzati dalla luce o da un catalizzatore solido, mentre altri separano i prodotti desiderati. Nel sistema attuale, cinque di questi componenti possono essere collegati contemporaneamente.

La persona che utilizza la macchina escogita un piano su come sintetizzare una molecola desiderata e quindi collega i moduli necessari. L'utente comunica quindi alla macchina quali condizioni di reazione (temperatura, concentrazione dei reagenti, Portata, ecc.) per cominciare. Per il giorno successivo o giù di lì, la macchina utilizza un programma di ottimizzazione generale per esplorare diverse condizioni e, infine, per determinare quali condizioni generano la massima resa del prodotto desiderato.

Nel frattempo, invece di mescolare manualmente le sostanze chimiche e poi isolare e testare i prodotti, il ricercatore può andare a fare qualcos'altro.

"Mentre vengono eseguite le ottimizzazioni, gli utenti potrebbero parlare con i loro colleghi di altre idee, potrebbero lavorare su manoscritti, oppure potrebbero analizzare i dati delle esecuzioni precedenti. In altre parole, fare gli aspetti più umani della ricerca, "dice Jamison.

Test rapidi

Nel nuovo studio, i ricercatori hanno creato circa 50 diversi composti organici, e credono che la tecnologia potrebbe aiutare gli scienziati a progettare e produrre più rapidamente composti che potrebbero essere testati come potenziali farmaci o altri prodotti utili. Questo sistema dovrebbe anche rendere più facile per i chimici riprodurre reazioni che altri hanno sviluppato, senza dover riottimizzare ogni passaggio della sintesi.

"Se hai una macchina in cui colleghi solo i componenti, e qualcuno prova a fare la stessa sintesi con una macchina simile, dovrebbero essere in grado di ottenere gli stessi risultati, "dice Jensen.

I ricercatori stanno ora lavorando a una nuova versione della tecnologia che potrebbe assumere ancora più lavoro di progettazione, compresa la definizione dell'ordine e del tipo di moduli da utilizzare.