Guidé par l'intelligence artificielle et propulsé par une plateforme robotique, un système développé par des chercheurs du MIT fait un pas de plus vers l'automatisation de la production de petites molécules qui pourraient être utilisées en médecine, énergie solaire, et la chimie des polymères.

Le système, décrit dans le numéro du 8 août de Science , pourrait libérer les chimistes de laboratoire d'une variété de tâches routinières et chronophages, et peut suggérer des possibilités de fabrication de nouveaux composés moléculaires, selon les co-responsables de l'étude Klavs F. Jensen, le professeur Warren K. Lewis de génie chimique, et Timothy F. Jamison, le professeur de chimie Robert R. Taylor et recteur associé au MIT.

La technologie "a la promesse d'aider les gens à éliminer toutes les parties fastidieuses de la construction de molécules, " y compris la recherche de voies de réaction potentielles et la construction des composants d'une chaîne d'assemblage moléculaire à chaque fois qu'une nouvelle molécule est produite, dit Jensen.

"Et en tant que chimiste, cela peut vous donner des inspirations pour de nouvelles réactions auxquelles vous n'aviez pas pensé auparavant, " il ajoute.

D'autres auteurs du MIT sur l'article de Science incluent Connor W. Coley, Dale A. Thomas III, Justin A. M. Lummiss, Jonathan N. Jaworski, Christopher P. Breen, Victor Schultz, Travis Hart, Joshua S. Fishman, Luc Rogers, Hanyu Gao, Robert W. Hicklin, Pieter P. Plehiers, Josué Byington, John S. Piotti, William H. Green, et A. John Hart.

De l'inspiration à la recette au produit fini

Le nouveau système combine trois étapes principales. D'abord, un logiciel guidé par l'intelligence artificielle propose une voie pour synthétiser une molécule, puis des chimistes experts examinent cette voie et l'affinent en une "recette chimique, " et enfin la recette est envoyée à une plate-forme robotique qui assemble automatiquement le matériel et effectue les réactions qui construisent la molécule.

Coley et ses collègues travaillent depuis plus de trois ans pour développer la suite logicielle open source qui suggère et hiérarchise les voies de synthèse possibles. Au cœur du logiciel se trouvent plusieurs modèles de réseaux de neurones, que les chercheurs ont formé sur des millions de réactions chimiques précédemment publiées tirées des bases de données de Reaxys et de l'Office américain des brevets et des marques. Le logiciel utilise ces données pour identifier les transformations réactionnelles et les conditions qui, selon lui, conviendront à la construction d'un nouveau composé.

« Cela aide à prendre des décisions de haut niveau sur les types d'intermédiaires et de matières premières à utiliser, puis des analyses légèrement plus détaillées sur les conditions que vous pourriez vouloir utiliser et si ces réactions sont susceptibles de réussir, " dit Coley.

"L'une des principales motivations derrière la conception du logiciel est qu'il ne vous donne pas seulement des suggestions de molécules que nous connaissons ou de réactions que nous connaissons, " note-t-il. " Il peut se généraliser à de nouvelles molécules qui n'ont jamais été fabriquées. "

Les chimistes examinent ensuite les voies de synthèse suggérées produites par le logiciel pour créer une recette plus complète pour la molécule cible. Les chimistes doivent parfois effectuer des expériences de laboratoire ou bricoler avec des concentrations de réactifs et des températures de réaction, entre autres changements.

"Ils s'inspirent en partie de l'IA et la convertissent en un fichier de recette exécutable, en grande partie parce que la littérature chimique à l'heure actuelle ne dispose pas de suffisamment d'informations pour passer directement de l'inspiration à l'exécution sur un système automatisé, " dit Jamison.

La recette finale est ensuite chargée sur une plateforme où un bras robotique assemble des réacteurs modulaires, séparateurs, et d'autres unités de traitement dans un chemin d'écoulement continu, reliant les pompes et les lignes qui apportent les ingrédients moléculaires.

« Vous chargez la recette, c'est ce qui contrôle la plate-forme robotique, vous chargez les réactifs, et appuyez sur aller, et qui permet de générer la molécule d'intérêt, " dit Thomas. " Et puis quand c'est terminé, il rince le système et vous pouvez charger le prochain ensemble de réactifs et de recette, et laissez-le fonctionner."

Contrairement au système à flux continu que les chercheurs ont présenté l'année dernière, qui devait être configuré manuellement après chaque synthèse, le nouveau système est entièrement configuré par la plate-forme robotique.

"Cela nous donne la possibilité de séquencer une molécule après l'autre, ainsi que générer une bibliothèque de molécules sur le système, de façon autonome, " dit Jensen.

La conception de la plate-forme, qui mesure environ deux mètres cubes - légèrement plus petit qu'une hotte chimique standard - ressemble à un standard téléphonique et à un système d'opérateur qui déplace les connexions entre les modules sur la plate-forme.

"Le bras robotique est ce qui nous a permis de manipuler les chemins fluidiques, ce qui a réduit le nombre de modules de processus et la complexité fluidique du système, et en réduisant la complexité fluidique, nous pouvons augmenter la complexité moléculaire, ", explique Thomas. "Cela nous a permis d'ajouter des étapes de réaction supplémentaires et d'élargir l'ensemble des réactions qui pouvaient être effectuées sur le système dans un encombrement relativement faible."

Vers une automatisation complète

Les chercheurs ont testé le système complet en créant 15 petites molécules médicinales différentes de complexité de synthèse différente, avec des processus prenant entre deux heures pour les créations les plus simples et environ 68 heures pour la fabrication de plusieurs composés.

L'équipe a synthétisé une variété de composés :l'aspirine et l'antibiotique secnidazole dans des processus dos à dos; l'analgésique lidocaïne et le médicament anxiolytique diazépam dans des processus dos à dos utilisant une matière première commune de réactifs; la warfarine, un anticoagulant et le safinamide, un médicament contre la maladie de Parkinson, montrer comment le logiciel pourrait concevoir des composés avec des composants moléculaires similaires mais des structures 3D différentes ; et une famille de cinq médicaments inhibiteurs de l'ECA et une famille de quatre médicaments anti-inflammatoires non stéroïdiens.

"Je suis particulièrement fier de la diversité de la chimie et des types de réactions chimiques différentes, " dit Jamison, qui a dit que le système gérait environ 30 réactions différentes par rapport à environ 12 réactions différentes dans le système à flux continu précédent.

« Nous essayons vraiment de combler le fossé entre la génération d'idées à partir de ces programmes et ce qu'il faut pour exécuter une synthèse, " dit Coley. "Nous espérons que les systèmes de prochaine génération augmenteront encore la fraction de temps et d'efforts que les scientifiques peuvent consacrer à leurs efforts sur la créativité et la conception."

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.