Automatisering van chemische synthese

Met RoboRXN heeft IBM een krachtig platform ontwikkeld voor de synthese van nieuwe scheikundige stoffen. Het platform maakt gebruik van artificiële intelligentie in de cloud waarbij niet alleen de chemische reacties voorspeld worden maar ook automatisch een programma gegenereerd wordt om robots in een lab aan te sturen om proeven te doen.

Het verhaal van RoboRXN begint bij de lancering van de tool RXN for Chemistry in 2018. Dat is een neuraal netwerk dat getraind wordt om de uitkomst van chemische reacties te voorspellen. IBM stelt de tool gratis ter beschikking en heeft sinds de lancering ervan maar liefst 15.000 gebruikers weten te werven. De tool blijkt in meer dan 90% van de gevallen een correcte voorspelling te doen van hoe stoffen met elkaar zullen reageren.

In samenwerking met chemici aan de universiteit van Pisa werd deze tool vervolgens uitgebreid om ook retrosynthese te doen. Daarbij vertrekt men van een molecule die men wil bekomen en laat men het systeem op zoek gaan naar de ingrediënten en werkwijze waarmee de molecule gemaakt zou kunnen worden.

De werkwijze is hierbij vaak even cruciaal als de grondstoffen – enigszins vergelijkbaar met hoe recepten in de keuken verschillende gerechten kunnen opleveren met dezelfde ingrediënten.

Om het neuraal netwerk te leren wat het effect van verschillende handelingen is of kan zijn, wordt een beroep gedaan op de literatuur waarin duizenden voorbeelden te vinden zijn van chemische reacties. De innovatie van IBM is dat men het systeem geleerd heeft om beschrijvingen in de literatuur te linken aan bepaalde handelingen in het lab, zonder daarom per sé de volledige tekst te begrijpen. Daardoor is een model ontstaan dat kan leren wat het effect van bepaalde handelingen in het lab kan zijn. Op basis daarvan kan het model dus ook voorspellingen doen over welke acties het meest geschikt zouden kunnen zijn om tot de molecule die men beoogt te komen.

Sluitsteen in het verhaal is dat de acties in het lab volledig geautomatiseerd worden waarbij de AI toepassing in staat is om robots en andere machines aan te sturen in functie van de handelingen die in de simulatie het gewenste resultaat lijken op te leveren.

IBM maakt zich sterk dat RoboRXN een belangrijke doorbraak kan opleveren in het versnellen van chemische synthese wat de kost bij het ontwikkelen van nieuwe medicijnen, bijvoorbeeld, aanzienlijk zou kunnen terugdringen.

De AI methode om teksten uit de literatuur te vertalen in commando’s voor de geautomatiseerde labo-apparatuur zonder de teksten zelf woord voor woord te begrijpen is de cruciale schakel in dit project en wordt beschreven in het gerenommeerde Nature Communications.