26/01/2024
Door Ad Spijkers
RoboChem is gebaseerd op een systeem voor 'flowchemie', met een reactor waarin sterke LED lampen de chemische reacties in gang zetten.
Scheikundigen van de Universiteit van Amsterdam (UvA) hebben een autonome robot voor chemische synthese ontwikkeld, die wordt aangestuurd met behulp van kunstmatige intelligentie (AI). Het apparaat, RoboChem, werkt sneller en nauwkeuriger dan zijn menselijke evenknie en blijkt vindingrijk. Het apparaat kan voor een belangrijke versnelling zorgen in de zoektocht naar moleculen met farmaceutische en andere toepassingen.
Reactie
RoboChem is een precieze en betrouwbare chemicus is, die verschillende reacties kan uitvoeren en de hoeveelheid afval minimaliseert. Het systeem werkt 24 uur per dag, autonoom, snel en onvermoeibaar. In een week kunnen de onderzoekers de synthese van zo'n tien tot twintig moleculen optimaliseren. Een promovendus zou daar maanden over doen. De robot levert niet alleen de beste reactiecondities, maar ook de beste instellingen voor opschaling. Dit betekent dat de universiteit hoeveelheden kunnen produceren die direct relevant zijn voor bijvoorbeeld de farmaceutische industrie.'
De onderzoekers hebben veel expertise op het gebied van de flowchemie. Dat is een nieuwe manier voor het uitvoeren van chemische syntheses. Een systeem van kleine, flexibele slangetjes vervangt de gebruikelijke bekers, kolven en ander glaswerk. In RoboChem zuigt een robotnaald voorzichtig kleine hoeveelheden van de uitgangsstoffen op, en mengt deze vervolgens door elkaar. In totaal stroomt steeds iets meer dan 0,5 ml reactiemengsel door de slangetjes naar de reactor. Hier zet het licht van krachtige LED's de moleculaire omzetting in gang door een fotokatalysator te activeren.
Het reactiemengsel stroomt vervolgens verder naar een geautomatiseerde NMR-spectrometer die de nieuw gevormde moleculen identificeert. Deze gegevens worden in real-time doorgestuurd naar de computer die RoboChem bestuurt. Dit brein achter RoboChem verwerkt alle informatie met behulp van kunstmatige intelligentie. De onderzoekers gebruiken een machine learning algoritme dat zelfstandig bepaalt welke reacties moeten worden uitgevoerd. Het streeft altijd naar de optimale uitkomst en verbetert voortdurend zijn begrip van de achterliggende chemie.
Vindingrijk
De onderzoekers heeft veel moeite gedaan om de resultaten van RoboChem te verifiëren. Alle moleculen werden handmatig geïsoleerd en gecontroleerd. Ze werken al meer dan tien jaar aan fotokatalyse, maar toch geeft RoboChem resultaten die ze niet hadden kunnen voorspellen. Het systeem identificeerde bijvoorbeeld reacties waarvoor maar heel weinig licht nodig is. De onderzoekers moesten af en toe goed doorgronden wat het systeem precies had gedaan. Duidelijk is wel dat de onderzoekers niet zo snel zulke resultaten zouden hebben behaald.
De onderzoekers gebruikten RoboChem ook om eerder onderzoek, gepubliceerd in vier willekeurig gekozen wetenschappelijke publicaties, te herhalen. Vervolgens stelden ze vast of Robochem dezelfde – of betere – resultaten opleverde. Volgens de onderzoekers leverde het systeem in ongeveer 80% van de gevallen betere resultaten. Voor de andere 20% zijn de resultaten vergelijkbaar. Een door AI ondersteunde benadering levert dus voordeel op voor chemisch onderzoek.
Doorbraken met AI
De relevantie van RoboChem en andere 'computergestuurde' chemie ligt ook in het genereren van hoogwaardige data. Dit zal het toekomstige gebruik van AI ten goede komen. In het huidige chemisch onderzoek worden slechts enkele moleculen grondig onderzocht. De resultaten worden vervolgens geëxtrapoleerd naar schijnbaar vergelijkbare moleculen. RoboChem produceert een complete en uitgebreide dataset, waarbij voor elk individueel molecuul alle relevante parameters worden verkregen.
Een ander kenmerk is dat het systeem ook 'negatieve' gegevens registreert. In de huidige wetenschappelijke praktijk hebben de meeste gepubliceerde gegevens alleen betrekking op succesvolle experimenten. Maar een mislukt experiment levert ook relevante data op, maar die staan alleen in de handgeschreven labnotities van onderzoekers. Die data worden niet gepubliceerd en zijn daardoor niet beschikbaar voor door AI -ondersteunde chemie. RoboChem zal daar verandering in gaan brengen.
De wetenschappelijke publicatie vindt u hier.
Foto: UvA/HIMS