Styrd av artificiell intelligens och driven av en robotplattform, ett system utvecklat av MIT-forskare tar ett steg närmare att automatisera produktionen av små molekyler som kan användas inom medicin, solenergi, och polymerkemi.

Systemet, beskrivs i numret av 8 augusti av Vetenskap , skulle kunna frigöra bänkkemister från en mängd rutinmässiga och tidskrävande uppgifter, och kan föreslå möjligheter för hur man gör nya molekylära föreningar, enligt studieledarna Klavs F. Jensen, Warren K. Lewis professor i kemiteknik, och Timothy F. Jamison, Robert R. Taylor professor i kemi och biträdande provost vid MIT.

Tekniken "har löftet att hjälpa människor att skära bort alla de tråkiga delarna av molekylbyggande, " inklusive att leta upp potentiella reaktionsvägar och bygga komponenterna i ett molekylärt löpande band varje gång en ny molekyl produceras, säger Jensen.

"Och som kemist, det kan ge dig inspiration till nya reaktioner som du inte hade tänkt på tidigare, " han lägger till.

Andra MIT-författare på Science-dokumentet inkluderar Connor W. Coley, Dale A. Thomas III, Justin A.M. Lummiss, Jonathan N. Jaworski, Christopher P. Breen, Victor Schultz, Travis Hart, Joshua S. Fishman, Luke Rogers, Hanyu Gao, Robert W. Hicklin, Pieter P. Plehiers, Joshua Byington, John S. Piotti, William H. Green, och A. John Hart.

Från inspiration till recept till färdig produkt

Det nya systemet kombinerar tre huvudsteg. Först, programvara styrd av artificiell intelligens föreslår en väg för att syntetisera en molekyl, sedan granskar expertkemister denna väg och förfinar den till ett kemiskt "recept, " och slutligen skickas receptet till en robotplattform som automatiskt sätter ihop hårdvaran och utför reaktionerna som bygger molekylen.

Coley och hans kollegor har arbetat i mer än tre år för att utveckla programsviten med öppen källkod som föreslår och prioriterar möjliga syntesvägar. I hjärtat av programvaran finns flera neurala nätverksmodeller, som forskarna tränade på miljontals tidigare publicerade kemiska reaktioner hämtade från databaserna Reaxys och U.S. Patent and Trademark Office. Programvaran använder dessa data för att identifiera reaktionstransformationer och förhållanden som den tror kommer att vara lämpliga för att bygga en ny förening.

"Det hjälper till att fatta beslut på hög nivå om vilka typer av mellanprodukter och utgångsmaterial som ska användas, och sedan lite mer detaljerade analyser om vilka villkor du kanske vill använda och om dessa reaktioner sannolikt kommer att bli framgångsrika, säger Coley.

"En av de främsta motiven bakom designen av programvaran är att den inte bara ger dig förslag på molekyler vi känner till eller reaktioner vi känner till, " noterar han. "Det kan generaliseras till nya molekyler som aldrig har gjorts."

Kemister granskar sedan de föreslagna syntesvägarna som produceras av programvaran för att bygga ett mer komplett recept för målmolekylen. Kemister behöver ibland utföra laboratorieexperiment eller mixtra med reagenskoncentrationer och reaktionstemperaturer, bland andra förändringar.

"De tar lite av inspirationen från AI och konverterar det till en körbar receptfil, till stor del för att den kemiska litteraturen för närvarande inte har tillräckligt med information för att gå direkt från inspiration till exekvering på ett automatiserat system, " säger Jamison.

Det slutliga receptet laddas sedan på en plattform där en robotarm sätter ihop modulära reaktorer, separatorer, och andra bearbetningsenheter till en kontinuerlig flödesbana, ansluta pumpar och ledningar som för in de molekylära ingredienserna.

"Du laddar receptet - det är det som styr robotplattformen - du laddar reagenserna på, och tryck på gå, och som låter dig generera molekylen av intresse, " säger Thomas. "Och sedan när det är klart, det spolar systemet och du kan ladda nästa uppsättning reagenser och recept, och låt den springa."

Till skillnad från det kontinuerliga flödessystemet som forskarna presenterade förra året, som måste konfigureras manuellt efter varje syntes, det nya systemet är helt konfigurerat av robotplattformen.

"Detta ger oss förmågan att sekvensera den ena molekylen efter den andra, samt generera ett bibliotek av molekyler i systemet, självständigt, säger Jensen.

Designen för plattformen, som är cirka två kubikmeter stor – något mindre än en vanlig kemisk dragskåp – påminner om en telefonväxel och ett operatörssystem som flyttar anslutningar mellan modulerna på plattformen.

"Robotarmen är det som tillät oss att manipulera vätskebanorna, vilket minskade antalet processmoduler och systemets flytande komplexitet, och genom att minska den fluidiska komplexiteten kan vi öka den molekylära komplexiteten, ", säger Thomas. "Det gjorde att vi kunde lägga till ytterligare reaktionssteg och utöka uppsättningen reaktioner som kunde slutföras på systemet inom ett relativt litet fotavtryck."

Mot full automatisering

Forskarna testade hela systemet genom att skapa 15 olika medicinska små molekyler med olika synteskomplexitet, med processer som tar allt mellan två timmar för de enklaste skapelserna till cirka 68 timmar för tillverkning av flera föreningar.

Teamet syntetiserade en mängd olika föreningar:aspirin och antibiotikumet secnidazol i back-to-back processer; det smärtstillande medlet lidokain och det ångestdämpande läkemedlet diazepam i rygg-mot-rygg-processer med användning av ett vanligt råmaterial av reagenser; blodförtunnande warfarin och läkemedlet safinamid mot Parkinsons sjukdom, att visa hur programvaran kunde designa föreningar med liknande molekylära komponenter men olika 3D-strukturer; och en familj av fem ACE-hämmare och en familj av fyra icke-steroida antiinflammatoriska läkemedel.

"Jag är särskilt stolt över mångfalden av kemin och olika typer av kemiska reaktioner, säger Jamison, som sa att systemet hanterade cirka 30 olika reaktioner jämfört med cirka 12 olika reaktioner i det tidigare kontinuerliga flödessystemet.

"Vi försöker verkligen stänga gapet mellan idégenerering från dessa program och vad som krävs för att faktiskt köra en syntes, " säger Coley. "Vi hoppas att nästa generations system kommer att ytterligare öka den bråkdel av tid och ansträngning som forskare kan fokusera sina ansträngningar på kreativitet och design."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.