古老化學(xué)走進(jìn)自動化時代 “化學(xué)機器人”系統(tǒng)效率與化學(xué)家相當(dāng)

一直以來，化學(xué)家們的工作都通過人工方式完成，雖然自動化在化學(xué)領(lǐng)域并非新鮮事，比如多肽的自動合成以及高通量篩選等，但這些自動化合成僅囿于單一類型的化學(xué)反應(yīng)或流程，目前還沒有可以涵蓋所有合成有機化學(xué)的數(shù)字自動化標(biāo)準(zhǔn)和通用的化學(xué)操作編程語言。

有科學(xué)家向這一任務(wù)發(fā)起了挑戰(zhàn)!據(jù)美國消費者新聞與商業(yè)頻道網(wǎng)站近日報道，包括英國格拉斯哥大學(xué)化學(xué)家李·克羅寧等人在內(nèi)，都在想方設(shè)法讓化學(xué)合成變得更自動化。

比如，克羅寧團(tuán)隊研發(fā)出了“化學(xué)機器人”以及化學(xué)描述語言和相應(yīng)的計算機軟件，這套系統(tǒng)可以將化學(xué)文獻(xiàn)翻譯成機器人可以理解的分子配方，并自動生產(chǎn)這些分子。

研究人員稱，這些研究和嘗試有望引領(lǐng)化學(xué)走入自動化時代，加速藥物研發(fā)進(jìn)程，催生更高效的太陽能電池并助力太空探索。

“化學(xué)機器人”系統(tǒng)效率與化學(xué)家相當(dāng)

據(jù)美國《科學(xué)》雜志報道，2018年年底，克羅寧團(tuán)隊研制出了一款“化學(xué)計算機”，這是一套由試管、燒瓶、過濾和液-液分離裝置、蒸發(fā)器、以及輸送化學(xué)物質(zhì)的管道、閥門和泵組成的系統(tǒng)，其能運行一套編程語言控制相關(guān)分子的生成。

據(jù)悉，他們利用這一程序化自動合成系統(tǒng)，在無須人力干預(yù)的情況下制備出了3種高品質(zhì)藥用化合物：鹽酸苯海拉明、魯非酰胺和西地那非，其生產(chǎn)效率和產(chǎn)品純度堪比人工合成。

現(xiàn)在，他們朝著化學(xué)自動化邁出了重要的第二步!本月初，克羅寧團(tuán)隊在《科學(xué)》雜志上宣布，他們研發(fā)出了一套專用的化學(xué)描述語言(XDL)，其可以教“化學(xué)計算機”做什么，此外，還研發(fā)出了一套名為SynthReader軟件，可將經(jīng)過同行評議的學(xué)術(shù)論文變成“化學(xué)計算機”可以執(zhí)行的程序。

總而言之，克羅寧團(tuán)隊的新系統(tǒng)將添加等指令轉(zhuǎn)換為XDL，XDL指導(dǎo)“化學(xué)計算機”使用其加熱器和試管執(zhí)行相應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)過程。他表示，該系統(tǒng)的優(yōu)勢之一是化學(xué)家可以用簡單的英語編輯化學(xué)反應(yīng)，無須培訓(xùn)即可操作機器。至關(guān)重要的是，研究人員可以利用其化學(xué)專業(yè)知識發(fā)現(xiàn)代碼中的錯誤。

研究人員對該系統(tǒng)開展的測試結(jié)果表明，其從文獻(xiàn)中提取了12種化學(xué)配方，“化學(xué)計算機”執(zhí)行這些過程的效率與人類化學(xué)家一樣。

克羅寧的夢想是，未來研究人員可以像發(fā)送電子郵件和打印PDF文件一樣輕松地組裝和生產(chǎn)分子，使藥品生產(chǎn)加快進(jìn)入數(shù)字化時代。如此一來，化學(xué)家不必再去親力親為做常規(guī)合成，可以完全專注于尋找新的反應(yīng)。此外，這套系統(tǒng)可以通過讓化學(xué)家遠(yuǎn)離實驗室來使合成更安全，并通過幫助研究人員最大限度地減少溶劑使用，實現(xiàn)綠色環(huán)保。

克羅寧團(tuán)隊希望，他們接下來能開發(fā)出一個重要分子配方的在線存儲庫，可供研究人員免費下載，這有望幫助發(fā)展中國家更輕松地獲得藥物，實現(xiàn)更有效的國際科學(xué)合作，甚至為人類探索太空提供支持。

競相將化學(xué)帶入自動化時代

克羅寧團(tuán)隊并非單槍匹馬在奮斗!目前有數(shù)十個小組在競相將化學(xué)帶入自動化時代。研究人員認(rèn)為，這一領(lǐng)域所取得的進(jìn)展有望催生更安全的藥物、更高效的太陽能電池板以及顛覆性的新產(chǎn)業(yè)。

SRI生物科學(xué)公司就是其中之一，該公司正在開發(fā)另一套自動化化學(xué)系統(tǒng)。首席戰(zhàn)略官奈森·柯林斯說：“過去200年來，大多數(shù)化學(xué)方法大同小異，這是一個非常手工的、由人力驅(qū)動的過程，目前，我們正在改變這一現(xiàn)狀。”

柯林斯團(tuán)隊正在研發(fā)的系統(tǒng)名為“自動合成”。該平臺使用了一種名為“流動”化學(xué)的替代方法。克羅寧的方法是讓物質(zhì)在一個燒杯中混合，然后移至另一個燒杯中。而流動化學(xué)則讓化學(xué)反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行：化學(xué)品一起在管道中流動，在那里發(fā)生反應(yīng)并被帶走。柯林斯團(tuán)隊今年6月撰文指出，“自動合成”系統(tǒng)擁有3000多種通路，可以重現(xiàn)幾乎任何一種液基反應(yīng)。

克羅寧表示，盡管“自動化學(xué)”和“化學(xué)計算機”都可以復(fù)制今天已經(jīng)出版的大多數(shù)化學(xué)反應(yīng)，下一步將是使這些機器更可靠。柯林斯則補充說，以前，“自動合成”系統(tǒng)50%的錯誤需要一名工程師來修復(fù)，但現(xiàn)在錯誤率不到10%，他們希望用戶最終可以通過電話來排除系統(tǒng)故障。

柯林斯強調(diào)說：“化學(xué)自動化仍是新生事物，過去18個月，它才開始真正爆發(fā)。”

機器學(xué)習(xí)是“秘密武器”

研究人員指出，驅(qū)動該領(lǐng)域快速發(fā)展的一個“推手”是美國國防部高級研究項目局。該部門發(fā)起了名為“制造(Make-It)”的四年計劃，“化學(xué)計算機”和“自動合成”都囊括其中。該計劃項目經(jīng)理安妮·菲舍爾的長期目標(biāo)是加快發(fā)現(xiàn)有用分子的過程。

菲舍爾解釋稱，要發(fā)現(xiàn)新分子，化學(xué)家需要費力將原子精加工成新穎的結(jié)構(gòu)，“制造和測試這些分子費時費力”。但現(xiàn)在，“制造”項目促進(jìn)了“化學(xué)計算機”和“自動合成”等機器人工具的研制，這些機器可以用于快速自動制造出分子。

菲舍爾目前正領(lǐng)導(dǎo)一個新項目——“加速分子發(fā)現(xiàn)”，這是化學(xué)自動化的新階段：開發(fā)出更智能的軟件來告訴機器人要制造什么分子以及如何制作它們。

許多人認(rèn)為，要做的這一點，“秘密武器”在于機器學(xué)習(xí)。現(xiàn)在有不少科學(xué)家在朝這方面努力，開發(fā)能進(jìn)行基本化學(xué)學(xué)習(xí)的機器。比如，去年，美國麻省理工學(xué)院的化學(xué)家康納·康利所在的團(tuán)隊讓一款算法與一套自動流化學(xué)系統(tǒng)“聯(lián)姻”，以更好地指導(dǎo)系統(tǒng)的運行。他們用包含數(shù)十萬個化學(xué)反應(yīng)的數(shù)據(jù)庫對該算法進(jìn)行了訓(xùn)練，該算法也能預(yù)測新產(chǎn)品的配方。康利說：“基于這些模式，該系統(tǒng)可以發(fā)現(xiàn)如何設(shè)計出從未見過的新分子。”

不過，康利也強調(diào)說，這套系統(tǒng)要想真正“大顯身手”，還有很長的路要走。首先，它的預(yù)測基于相似的分子;而且，人類化學(xué)家需要夯實機器生成過程中缺少的細(xì)節(jié)。

目前，該團(tuán)隊正在與十多家化學(xué)和制藥公司合作，以改進(jìn)其分子預(yù)測算法。一些公司已將該軟件投入使用，默克制藥公司計算和結(jié)構(gòu)化學(xué)助理副總裁胡安·阿爾瓦雷斯表示，康利的機器學(xué)習(xí)算法是公司向內(nèi)部研究人員提供的多種化學(xué)預(yù)測工具之一。

盡管每個小組都從不同角度探討化學(xué)的自動化問題，但他們殊途同歸。菲舍爾說：“我們的目標(biāo)不是取代化學(xué)家，而是為化學(xué)家提供工具，使他們能夠更好、更快地實施和應(yīng)用化學(xué)方法，并使他們‘變身’為富有創(chuàng)造力的思想家。”