自律型合成ロボットが AI を使用して化学発見をスピードアップ

アムステルダム大学 (UvA) の化学者は、AI 駆動の機械学習ユニットを統合した自律型化学合成ロボットを開発しました。 「RoboChem」と名付けられたこのベンチトップ装置は、スピードと精度の点で人間の化学者を上回る性能を発揮すると同時に、高いレベルの創意工夫を発揮します。 この種のものとしては初めてのものとして、医薬品や他の多くの用途のための分子の化学的発見を大幅に加速できる可能性があります。 RoboChem の最初の結果は、1 月 25 日にサイエンス誌に掲載されました。

RoboChem は、UvA のヴァント ホフ分子科学研究所の Timothy Noël 教授のグループによって開発されました。 彼らの論文は、RoboChem が、廃棄物を最小限に抑えながらさまざまな反応を実行できる正確で信頼できる化学者であることを示しています。 このシステムは 24 時間自律的に動作し、迅速かつ精力的に結果を提供します。 ノエル: 「1 週間以内に、約 10 ～ 20 個の分子の合成を最適化できます。これには、博士課程の学生が数か月かかるでしょう。」 ロボットは最適な反応条件をもたらすだけでなく、スケールアップのための設定も提供します。 「これは、例えば製薬業界のサプライヤーに直接関係する量を生産できることを意味します。」

Noël グループの専門知識はフローケミストリーにあります。フローケミストリーは、ビーカー、フラスコ、その他の従来の化学ツールの代わりに小型の柔軟なチューブのシステムを使用する、化学を実行する新しい方法です。 RoboChem では、ロボットニードルが出発原料を注意深く収集し、これらを 0.5 ミリリットル強の少量で混合します。 次に、これらは配管システムを通って反応器に向かって流れます。 そこでは、強力な LED からの光が反応混合物に含まれる光触媒を活性化し、分子変換を引き起こします。 その後、流れは変換された分子を識別する自動 NMR 分光計に向かって進みます。 これらのデータは、RoboChem を制御するコンピューターにリアルタイムでフィードバックされます。 「これはロボケムの背後にある頭脳です」とノエルは言います。 「人工知能を使用して情報を処理します。どの反応を実行するかを自律的に決定する機械学習アルゴリズムを使用します。常に最適な結果を目指し、化学の理解を常に洗練させます。」

同グループはロボケムの結果を実証するために多大な努力を払った。 現在サイエンス論文に掲載されているすべての分子は、手動で単離され、チェックされました。 ノエル氏は、このシステムの創意工夫に感銘を受けたと述べています。「私は 10 年以上光触媒に取り組んできました。それでも、RoboChem は私には予測できなかった結果を示しました。たとえば、RoboChem は必要な反応を特定しました。 「光はほんのわずかしかありませんでした。時々、それが何をしたのか理解するために頭をかきむしらなければなりませんでした。そしてあなたは疑問に思います: 私たちも同じようにやっただろうか? 振り返ってみると、ロボケムのロジックがわかります。しかし、私たちが得られたかどうかは疑問です」私たち自身も同じ結果になる。少なくとも、それほど早くはないだろう。」

研究者らはまた、RoboChem を使用して、ランダムに選択された 4 つの論文で発表された以前の研究を再現しました。 次に、Robochem が同じ、またはそれ以上の結果をもたらしたかどうかを判断しました。 「ケースの約 80% で、このシステムはより高い収量をもたらしました。残りの 20% については、結果は同様でした」とノエル氏は言います。 「このことから、AI支援アプローチが可能な限り広い意味での化学発見に有益であることに疑いの余地はありません。」

ノエル氏によると、ロボケムやその他の「コンピューター化された」化学の関連性は、将来の AI の利用に役立つ高品質のデータの生成にもあります。 「従来の化学発見では、少数の分子のみが徹底的に研究されます。その後、結果は一見類似した分子に外挿されます。RoboChem は、個々の分子ごとに関連するすべてのパラメーターが得られる、完全かつ包括的なデータセットを生成します。これにより、より多くの洞察が得られます。」

もう1つの特徴は、システムが「ネガティブ」データも記録することです。 現在の科学実践では、ほとんどの公開データは成功した実験のみを反映しています。 「失敗した実験からも関連データが得られます」とノエル氏は言う。 「しかし、これは研究者の手書きの実験ノートでのみ見つけることができます。これらは公開されていないため、AIを利用した化学では利用できません。RoboChemはそれも変えるでしょう。AIを使用して化学にブレークスルーを起こしたいのであれば、私は間違いなくそうします」 、このような種類のロボットが必要になります。」

スラッテリー A、ウェン Z、テンブラッド P、サンホセ＝オルドゥナ J、ピントッシ D、デン ハートグ T、ノエル T.
流れにおける光触媒作用の自動化された自己最適化、強化、スケールアップ。
科学。 2024 1 26;383(6681):eadj1817。 土井： 10.1126/science.adj1817