Urządzenie w pełni autonomicznie przeprowadziło eksperymenty laboratoryjne i na bieżąco przeanalizowało ich wyniki. Nowatorskie rozwiązanie znacząco przyspiesza żmudną pracę naukowców, otwierając przed nimi niespotykane wcześniej możliwości: zwłaszcza w obszarze efektywnego projektowania innowacyjnych leków.
Automatyzacja organokatalizy asymetrycznej i poszukiwanie nowych cząsteczek
Narzędzie zostało stworzone po to, aby maksymalnie usprawnić wielomiesięczne poszukiwania w skomplikowanej dziedzinie chemii zajmującej się otrzymywaniem cząsteczek chiralnych przy stałym użyciu organicznych katalizatorów. Jak tłumaczą specjaliści zaangażowani w ten innowacyjny projekt, wspomniane związki mogą występować w dwóch odmiennych formach będących swoimi lustrzanymi odbiciami, zwanymi w świecie nauki enancjomerami. Zjawisko to można w prosty sposób porównać do: naturalnej budowy lewej i prawej dłoni człowieka.
Choć w neutralnym środowisku niechiralnym obie formy charakteryzują się identycznymi właściwościami, to potrafią one zupełnie inaczej oddziaływać z cząsteczkami tworzącymi organizm ludzki. Cecha ta ma potężne znaczenie praktyczne: mianowicie w procesie projektowania nowoczesnych i bezpiecznych terapii. Największym wyzwaniem dla współczesnej medycyny i chemii jest opracowanie metod na selektywne otrzymywanie wyłącznie jednej, pożądanej odmiany lustrzanej przy jednoczesnym pominięciu tworzenia tej drugiej. Do tej pory dokładne sprawdzenie wyniku pojedynczej reakcji enancjoselektywnej dla zadanych warunków zabierało doświadczonemu chemikowi przeważnie kilka godzin. Nowy system z IChO PAN zautomatyzował ten powtarzalny proces.
Maszyna do zadań specjalnych wyposażona w technologie druku 3D
Konstrukcja polskiego sprzętu opiera się na precyzyjnym robocie przeznaczonym do bezpiecznego przenoszenia cieczy, który swobodnie porusza się wzdłuż trzech osi. Urządzenie korzysta z dedykowanej igły połączonej ze zdalnie sterowaną pompą strzykawkową oraz ze specjalistycznych reaktorów. Wyposażono je w wydrukowane na drukarkach 3D laboratoryjne statywy na fiolki. Cały system posiada także nowoczesne moduły umożliwiające chłodzenie i ogrzewanie badanych próbek w niesamowicie szerokim zakresie temperatur: od minus 40 aż do około 90 stopni celsjusza. Autorem tego rozwiązania jest Patryk Klochowicz, doktorant z IChO PAN, a przełomowe wyniki eksperymentów opublikowano niedawno na łamach prestiżowego czasopisma „Nature Communications”.
Zbudowany w instytucie robot sam przygotowywał reakcje: mieszał ze sobą gotowe roztwory reagentów, a następnie od razu weryfikował powstałe mieszaniny, odczytując nadmiar enancjomeryczny badanych produktów. Sprzęt wykorzystywał przy tym dedykowane narzędzie: wydajny moduł analityczny bazujący bezpośrednio na chromatografii. Dzięki zaimplementowaniu w układzie dwóch takich precyzyjnych modułów naukowcy mogli bez problemu analizować od 40 do 50 mieszanin w trakcie zaledwie jednego dnia. Warto podkreślić, że urządzenie cechowała niesamowita wytrzymałość operacyjna, ponieważ pracowało ono bez absolutnie żadnych przerw na odpoczynek: również w nocy i w wolne weekendy.
Sztuczna inteligencja podejmuje samodzielne decyzje w laboratorium
W kolejnym etapie prac nad sprzętem inżynierowie wyposażyli robota w algorytm sztucznej inteligencji. Dzięki takiemu zabiegowi maszyna nabyła funkcję do: autonomicznego podejmowania kluczowych decyzji dotyczących ostatecznych warunków przeprowadzania kolejnych eksperymentów. Głównym celem tego nowoczesnego oprogramowania miało być ustalenie fundamentalnej kwestii: czy dwie substancje w ogóle wchodzą ze sobą w jakąkolwiek reakcję. Moduł AI samodzielnie kontrolował wyznaczoną temperaturę oraz czas trwania prób, a na podstawie zgromadzonych wyników analiz chromatograficznych decydował, czy wytypowany produkt powstał, umiejętnie wskazywał go i określał wprost, czy wykazuje on pożądane właściwości chiralne.
Do sterowania tym systemem wykorzystano technikę głębokiego uczenia przez wzmocnienie (deep reinforcement learning). Zanim wirtualny model zaczął wyciągać wnioski pośród prawdziwych odczynników w laboratorium, przeszedł gruntowne cyfrowe szkolenie. Oprogramowanie miało pełny dostęp do dwóch symulatorów odtwarzających przebieg reakcji oraz wyniki analiz. Program aktywnie nagradzał uczące się algorytmy za cenne z punktu widzenia nauki zachowania. Złożoność tego treningu robi ogromne wrażenie: pierwsza faza nauki wirtualnego agenta wymagała aż 20 milionów interakcji ze środowiskiem cyfrowym, z kolei zdobycie kompetencji przez drugiego agenta pochłonęło blisko 10 milionów prób. Konstruktor robota trafnie ocenił, że zrealizowanie takiej wielkiej liczby testów w standardowym laboratorium chemicznym byłoby zadaniem całkowicie niemożliwym do wykonania przez żywych badaczy. Dopiero w momencie gdy algorytmy perfekcyjnie opanowały zadane środowisko symulacji, eksperymentatorzy przenieśli je na fizyczną platformę.
Wizja przyszłości i symbioza badacza z robotyzacją
Mimo zaprezentowania ogromnego potencjału nowej instalacji, główny autor projektu stanowczo przypomina: sztuczna inteligencja i inżynieryjna automatyzacja nie zastąpią wykwalifikowanych badaczy w kreowaniu kierunków naukowych. Złożoność dzisiejszej chemii organicznej pozostaje na tak potężnym poziomie, że w procesie poszukiwania innowacji wciąż najważniejsze pozostają: ludzka intuicja i zdolność do abstrakcyjnego myślenia. Nie ulega jednak wątpliwości, że sporo żmudnych aspektów codziennej pracy laboratoryjnej z sukcesem ulegnie zautomatyzowaniu.
Liczbę całkowitą teoretycznych cząsteczek organicznych posiadających właściwości użyteczne przy tworzeniu nowoczesnych leków szacuje się obecnie na imponujące 10 do potęgi 60. To niewyobrażalna wielkość, która znacząco przewyższa liczbę wszystkich atomów krążących w całym układzie słonecznym. Wdrażanie systemów automatycznych w połączeniu z mocą obliczeniową AI z pewnością pomoże sektorowi naukowemu w sprawniejszym i bezpiecznym analizowaniu tego gigantycznego, nieodkrytego obszaru.
