Guidato dall'intelligenza artificiale e alimentato da una piattaforma robotica, un sistema sviluppato dai ricercatori del MIT fa un passo avanti verso l'automazione della produzione di piccole molecole che potrebbero essere utilizzate in medicina, energia solare, e chimica dei polimeri.

Il sistema, descritto nel numero dell'8 agosto di Scienza , potrebbe liberare i chimici da banco da una varietà di attività di routine e che richiedono tempo, e può suggerire possibilità su come creare nuovi composti molecolari, secondo i co-leader dello studio Klavs F. Jensen, il professore di ingegneria chimica Warren K. Lewis, e Timothy F. Jamison, il professore di chimica Robert R. Taylor e rettore associato al MIT.

La tecnologia "ha la promessa di aiutare le persone a eliminare tutte le noiose parti della costruzione di molecole, " inclusa la ricerca di potenziali vie di reazione e la costruzione dei componenti di una catena di montaggio molecolare ogni volta che viene prodotta una nuova molecola, dice Jensen.

"E come chimico, potrebbe darti ispirazione per nuove reazioni a cui non avevi pensato prima, " Aggiunge.

Altri autori del MIT sull'articolo Science includono Connor W. Coley, Dale A. Tommaso III, Justin A. M. Lummiss, Jonathan N. Jaworski, Christopher P. Breen, Victor Schultz, Travis Hart, Joshua S. Uomo Pesce, Luca Rogers, Hanyu Gao, Robert W. Hicklin, Pieter P. Plehiers, Joshua Byington, Giovanni S.Piotti, William H. Green, e A. John Hart.

Dall'ispirazione alla ricetta al prodotto finito

Il nuovo sistema combina tre passaggi principali. Primo, un software guidato dall'intelligenza artificiale suggerisce un percorso per sintetizzare una molecola, quindi chimici esperti rivedono questo percorso e lo perfezionano in una "ricetta chimica, " e infine la ricetta viene inviata a una piattaforma robotica che assembla automaticamente l'hardware ed esegue le reazioni che costruiscono la molecola.

Coley e i suoi colleghi lavorano da più di tre anni per sviluppare la suite di software open source che suggerisce e dà priorità a possibili percorsi di sintesi. Al centro del software ci sono diversi modelli di rete neurale, che i ricercatori hanno addestrato su milioni di reazioni chimiche precedentemente pubblicate tratte dai database di Reaxys e dell'Ufficio brevetti e marchi degli Stati Uniti. Il software utilizza questi dati per identificare le trasformazioni di reazione e le condizioni che ritiene adatte alla costruzione di un nuovo composto.

"Aiuta a prendere decisioni di alto livello su quali tipi di intermedi e materiali di partenza utilizzare, e poi analisi leggermente più dettagliate su quali condizioni potresti voler utilizzare e se è probabile che tali reazioni abbiano successo, "dice Coley.

"Una delle motivazioni principali alla base della progettazione del software è che non fornisce solo suggerimenti per le molecole che conosciamo o le reazioni che conosciamo, ", osserva. "Può generalizzare a nuove molecole che non sono mai state create".

I chimici quindi riesaminano i percorsi di sintesi suggeriti prodotti dal software per costruire una ricetta più completa per la molecola bersaglio. I chimici a volte devono eseguire esperimenti di laboratorio o armeggiare con le concentrazioni dei reagenti e le temperature di reazione, tra le altre modifiche.

"Prendono ispirazione dall'intelligenza artificiale e la convertono in un file di ricetta eseguibile, soprattutto perché la letteratura chimica al momento non dispone di informazioni sufficienti per passare direttamente dall'ispirazione all'esecuzione su un sistema automatizzato, "dice Jamison.

La ricetta finale viene quindi caricata su una piattaforma dove un braccio robotico assembla reattori modulari, separatori, e altre unità di elaborazione in un percorso di flusso continuo, pompe di collegamento e linee che portano gli ingredienti molecolari.

"Si carica la ricetta, questo è ciò che controlla la piattaforma robotica, si caricano i reagenti, e premi vai, e che permette di generare la molecola di interesse, " dice Thomas. "E poi, quando sarà completato, lava il sistema ed è possibile caricare il successivo set di reagenti e ricetta, e lascialo correre."

A differenza del sistema a flusso continuo presentato dai ricercatori lo scorso anno, che doveva essere configurato manualmente dopo ogni sintesi, il nuovo sistema è interamente configurato dalla piattaforma robotica.

"Questo ci dà la possibilità di sequenziare una molecola dopo l'altra, oltre a generare una libreria di molecole sul sistema, autonomamente, "dice Jensen.

Il design per la piattaforma, che ha una dimensione di circa due metri cubi, leggermente più piccola di una cappa chimica standard, ricorda un centralino telefonico e un sistema operatore che sposta le connessioni tra i moduli sulla piattaforma.

"Il braccio robotico è ciò che ci ha permesso di manipolare i percorsi fluidici, che ha ridotto il numero di moduli di processo e la complessità fluidica del sistema, e riducendo la complessità fluidica possiamo aumentare la complessità molecolare, " afferma Thomas. "Ciò ci ha permesso di aggiungere ulteriori fasi di reazione ed espandere la serie di reazioni che potrebbero essere completate sul sistema con un ingombro relativamente ridotto".

Verso la piena automazione

I ricercatori hanno testato l'intero sistema creando 15 diverse piccole molecole medicinali di diversa complessità di sintesi, con processi che richiedono da due ore per le creazioni più semplici a circa 68 ore per la produzione di più composti.

Il team ha sintetizzato una varietà di composti:l'aspirina e l'antibiotico secnidazolo in processi consecutivi; l'antidolorifico lidocaina e il farmaco ansiolitico diazepam in processi back-to-back utilizzando una comune materia prima di reagenti; l'anticoagulante warfarin e il farmaco per il morbo di Parkinson safinamide, mostrare come il software potrebbe progettare composti con componenti molecolari simili ma strutture 3D differenti; e una famiglia di cinque farmaci ACE-inibitori e una famiglia di quattro farmaci antinfiammatori non steroidei.

"Sono particolarmente orgoglioso della diversità della chimica e dei tipi di reazioni chimiche diverse, "dice Jamison, che ha affermato che il sistema ha gestito circa 30 reazioni diverse rispetto a circa 12 diverse reazioni nel precedente sistema a flusso continuo.

"Stiamo davvero cercando di colmare il divario tra la generazione di idee da questi programmi e ciò che serve per eseguire effettivamente una sintesi, " afferma Coley. "Ci auguriamo che i sistemi di prossima generazione aumenteranno ulteriormente la frazione di tempo e gli sforzi in cui gli scienziati possono concentrare i loro sforzi sulla creatività e sul design".

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.