Guiado por inteligencia artificial y alimentado por una plataforma robótica, un sistema desarrollado por investigadores del MIT da un paso más hacia la automatización de la producción de pequeñas moléculas que podrían usarse en medicina, energía solar, y química de polímeros.

El sistema, descrito en la edición del 8 de agosto de Ciencias , podría liberar a los químicos de una variedad de tareas rutinarias y que requieren mucho tiempo, y puede sugerir posibilidades de cómo hacer nuevos compuestos moleculares, según los colíderes del estudio Klavs F. Jensen, el Profesor Warren K. Lewis de Ingeniería Química, y Timothy F. Jamison, el profesor de química Robert R. Taylor y rector asociado en el MIT.

La tecnología "promete ayudar a las personas a eliminar todas las partes tediosas de la construcción de moléculas, "incluyendo la búsqueda de posibles vías de reacción y la construcción de los componentes de una línea de ensamblaje molecular cada vez que se produce una nueva molécula, dice Jensen.

"Y como químico, puede darle inspiración para nuevas reacciones en las que no había pensado antes, " él añade.

Otros autores del MIT en el artículo de Science incluyen a 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, y A. John Hart.

De la inspiración a la receta y al producto terminado

El nuevo sistema combina tres pasos principales. Primero, El software guiado por inteligencia artificial sugiere una ruta para sintetizar una molécula, luego, los químicos expertos revisan esta ruta y la perfeccionan en una "receta química, y finalmente la receta se envía a una plataforma robótica que automáticamente ensambla el hardware y realiza las reacciones que construyen la molécula.

Coley y sus colegas han estado trabajando durante más de tres años para desarrollar el paquete de software de código abierto que sugiere y prioriza posibles rutas de síntesis. En el corazón del software hay varios modelos de redes neuronales, que los investigadores capacitaron en millones de reacciones químicas publicadas anteriormente extraídas de las bases de datos de Reaxys y la Oficina de Patentes y Marcas de EE. UU. El software utiliza estos datos para identificar las transformaciones de reacción y las condiciones que cree que serán adecuadas para construir un nuevo compuesto.

"Ayuda a tomar decisiones de alto nivel sobre qué tipos de intermedios y materiales de partida utilizar, y luego análisis un poco más detallados sobre las condiciones que podría desear utilizar y si es probable que esas reacciones tengan éxito, "dice Coley.

"Una de las principales motivaciones detrás del diseño del software es que no solo te da sugerencias de moléculas que conocemos o reacciones que conocemos, ", señala." Se puede generalizar a nuevas moléculas que nunca se han creado ".

Luego, los químicos revisan las rutas de síntesis sugeridas producidas por el software para construir una receta más completa para la molécula diana. Los químicos a veces necesitan realizar experimentos de laboratorio o modificar las concentraciones de los reactivos y las temperaturas de reacción. entre otros cambios.

"Toman parte de la inspiración de la IA y la convierten en un archivo de receta ejecutable, en gran parte porque la literatura química en la actualidad no tiene suficiente información para pasar directamente de la inspiración a la ejecución en un sistema automatizado, "Dice Jamison.

Luego, la receta final se carga en una plataforma donde un brazo robótico ensambla reactores modulares, separadores, y otras unidades de procesamiento en una ruta de flujo continuo, conectando bombas y líneas que traen los ingredientes moleculares.

"Carga la receta, eso es lo que controla la plataforma robótica, carga los reactivos, y presiona ir, y que te permita generar la molécula de interés, "dice Thomas". Y luego, cuando esté completo, limpia el sistema y puede cargar el siguiente conjunto de reactivos y receta, y déjelo funcionar ".

A diferencia del sistema de flujo continuo que presentaron los investigadores el año pasado, que tenía que configurarse manualmente después de cada síntesis, el nuevo sistema está completamente configurado por la plataforma robótica.

"Esto nos da la capacidad de secuenciar una molécula tras otra, así como generar una biblioteca de moléculas en el sistema, de forma autónoma, "dice Jensen.

El diseño de la plataforma, que tiene un tamaño de aproximadamente dos metros cúbicos, un poco más pequeño que una campana de extracción de humos químicos estándar, se asemeja a una centralita telefónica y un sistema de operador que mueve las conexiones entre los módulos de la plataforma.

"El brazo robótico es lo que nos permitió manipular los caminos fluídicos, lo que redujo el número de módulos de proceso y la complejidad fluídica del sistema, y al reducir la complejidad fluídica podemos aumentar la complejidad molecular, ", dice Thomas." Eso nos permitió agregar pasos de reacción adicionales y expandir el conjunto de reacciones que podrían completarse en el sistema dentro de un espacio relativamente pequeño ".

Hacia la automatización total

Los investigadores probaron el sistema completo creando 15 pequeñas moléculas medicinales diferentes de diferente complejidad de síntesis, con procesos que demoran entre dos horas para las creaciones más simples y aproximadamente 68 horas para la fabricación de múltiples compuestos.

El equipo sintetizó una variedad de compuestos:aspirina y el antibiótico secnidazol en procesos consecutivos; el analgésico lidocaína y el fármaco contra la ansiedad diazepam en procesos consecutivos utilizando una materia prima común de reactivos; el anticoagulante warfarina y el fármaco para la enfermedad de Parkinson safinamida, mostrar cómo el software podría diseñar compuestos con componentes moleculares similares pero con estructuras tridimensionales diferentes; y una familia de cinco fármacos inhibidores de la ECA y una familia de cuatro fármacos antiinflamatorios no esteroides.

"Estoy particularmente orgulloso de la diversidad de la química y los tipos de reacciones químicas diferentes, "dice Jamison, quien dijo que el sistema manejó alrededor de 30 reacciones diferentes en comparación con alrededor de 12 reacciones diferentes en el sistema de flujo continuo anterior.

"Realmente estamos tratando de cerrar la brecha entre la generación de ideas a partir de estos programas y lo que se necesita para ejecutar una síntesis, ", dice Coley." Esperamos que los sistemas de la próxima generación aumenten aún más la fracción de tiempo y esfuerzo en que los científicos pueden centrar sus esfuerzos en la creatividad y el diseño ".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.