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

有科學(xué)家向這一任務(wù)發(fā)起了挑戰(zhàn)!據(jù)美國(guó)消費(fèi)者新聞與商業(yè)頻道網(wǎng)站近日?qǐng)?bào)道，包括英國(guó)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(dòng)化。

比如，克羅寧團(tuán)隊(duì)研發(fā)出了“化學(xué)機(jī)器人”以及化學(xué)描述語(yǔ)言和相應(yīng)的計(jì)算機(jī)軟件，這套系統(tǒng)可以將化學(xué)文獻(xiàn)翻譯成機(jī)器人可以理解的分子配方，并自動(dòng)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(dòng)化時(shí)代，加速藥物研發(fā)進(jìn)程，催生更高效的太陽(yáng)能電池并助力太空探索。

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

據(jù)美國(guó)《科學(xué)》雜志報(bào)道，2018年年底，克羅寧團(tuán)隊(duì)研制出了一款“化學(xué)計(jì)算機(jī)”，這是一套由試管、燒瓶、過(guò)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(yùn)行一套編程語(yǔ)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(dòng)合成系統(tǒng)，在無(wú)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(dòng)化邁出了重要的第二步!本月初，克羅寧團(tuán)隊(duì)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(yǔ)言(XDL)，其可以教“化學(xué)計(jì)算機(jī)”做什么，此外，還研發(fā)出了一套名為SynthReader軟件，可將經(jīng)過(guò)同行評(píng)議的學(xué)術(shù)論文變成“化學(xué)計(jì)算機(jī)”可以執(zhí)行的程序。

總而言之，克羅寧團(tuán)隊(duì)的新系統(tǒng)將添加等指令轉(zhuǎn)換為XDL，XDL指導(dǎo)“化學(xué)計(jì)算機(jī)”使用其加熱器和試管執(zhí)行相應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。他表示，該系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)之一是化學(xué)家可以用簡(jiǎn)單的英語(yǔ)編輯化學(xué)反應(yīng)，無(wú)須培訓(xùn)即可操作機(jī)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(shí)發(fā)現(xiàn)代碼中的錯(cuò)誤。

研究人員對(duì)該系統(tǒng)開展的測(cè)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(jì)算機(jī)”執(zhí)行這些過(guò)程的效率與人類化學(xué)家一樣。

克羅寧的夢(mèng)想是，未來(lái)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(shí)代。如此一來(lái)，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(guò)讓化學(xué)家遠(yuǎn)離實(shí)驗(yàn)室來(lái)使合成更安全，并通過(guò)幫助研究人員最大限度地減少溶劑使用，實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保。

克羅寧團(tuán)隊(duì)希望，他們接下來(lái)能開發(fā)出一個(gè)重要分子配方的在線存儲(chǔ)庫(kù)，可供研究人員免費(fèi)下載，這有望幫助發(fā)展中國(guó)家更輕松地獲得藥物，實(shí)現(xiàn)更有效的國(guó)際科學(xué)合作，甚至為人類探索太空提供支持。

競(jìng)相將化學(xué)帶入自動(dòng)化時(shí)代

克羅寧團(tuán)隊(duì)并非單槍匹馬在奮斗!目前有數(shù)十個(gè)小組在競(jìng)相將化學(xué)帶入自動(dòng)化時(shí)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(yáng)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(dòng)化化學(xué)系統(tǒng)。首席戰(zhàn)略官奈森·柯林斯說(shuō)：“過(guò)去200年來(lái)，大多數(shù)化學(xué)方法大同小異，這是一個(gè)非常手工的、由人力驅(qū)動(dòng)的過(guò)程，目前，我們正在改變這一現(xiàn)狀。”

柯林斯團(tuán)隊(duì)正在研發(fā)的系統(tǒng)名為“自動(dòng)合成”。該平臺(tái)使用了一種名為“流動(dòng)”化學(xué)的替代方法?？肆_寧的方法是讓物質(zhì)在一個(gè)燒杯中混合，然后移至另一個(gè)燒杯中。而流動(dòng)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(dòng)，在那里發(fā)生反應(yīng)并被帶走?？铝炙箞F(tuán)隊(duì)今年6月撰文指出，“自動(dòng)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(dòng)化學(xué)”和“化學(xué)計(jì)算機(jī)”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(jī)器更可靠?？铝炙箘t補(bǔ)充說(shuō)，以前，“自動(dòng)合成”系統(tǒng)50%的錯(cuò)誤需要一名工程師來(lái)修復(fù)，但現(xiàn)在錯(cuò)誤率不到10%，他們希望用戶最終可以通過(guò)電話來(lái)排除系統(tǒng)故障。

柯林斯強(qiáng)調(diào)說(shuō)：“化學(xué)自動(dòng)化仍是新生事物，過(guò)去18個(gè)月，它才開始真正爆發(fā)。”

機(jī)器學(xué)習(xí)是“秘密武器”

研究人員指出，驅(qū)動(dòng)該領(lǐng)域快速發(fā)展的一個(gè)“推手”是美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究項(xiàng)目局。該部門發(fā)起了名為“制造(Make-It)”的四年計(jì)劃，“化學(xué)計(jì)算機(jī)”和“自動(dòng)合成”都囊括其中。該計(jì)劃項(xiàng)目經(jīng)理安妮·菲舍爾的長(zhǎng)期目標(biāo)是加快發(fā)現(xiàn)有用分子的過(guò)程。

菲舍爾解釋稱，要發(fā)現(xiàn)新分子，化學(xué)家需要費(fèi)力將原子精加工成新穎的結(jié)構(gòu)，“制造和測(cè)試這些分子費(fèi)時(shí)費(fèi)力”。但現(xiàn)在，“制造”項(xiàng)目促進(jìn)了“化學(xué)計(jì)算機(jī)”和“自動(dòng)合成”等機(jī)器人工具的研制，這些機(jī)器可以用于快速自動(dòng)制造出分子。

菲舍爾目前正領(lǐng)導(dǎo)一個(gè)新項(xiàng)目——“加速分子發(fā)現(xiàn)”，這是化學(xué)自動(dòng)化的新階段：開發(fā)出更智能的軟件來(lái)告訴機(jī)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(diǎn)，“秘密武器”在于機(jī)器學(xué)習(xí)?，F(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(jī)器。比如，去年，美國(guó)麻省理工學(xué)院的化學(xué)家康納·康利所在的團(tuán)隊(duì)讓一款算法與一套自動(dòng)流化學(xué)系統(tǒng)“聯(lián)姻”，以更好地指導(dǎo)系統(tǒng)的運(yùn)行。他們用包含數(shù)十萬(wàn)個(gè)化學(xué)反應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)該算法進(jìn)行了訓(xùn)練，該算法也能預(yù)測(cè)新產(chǎn)品的配方?？道f(shuō)：“基于這些模式，該系統(tǒng)可以發(fā)現(xiàn)如何設(shè)計(jì)出從未見過(guò)的新分子。”

不過(guò)，康利也強(qiáng)調(diào)說(shuō)，這套系統(tǒng)要想真正“大顯身手”，還有很長(zhǎng)的路要走。首先，它的預(yù)測(cè)基于相似的分子;而且，人類化學(xué)家需要夯實(shí)機(jī)器生成過(guò)程中缺少的細(xì)節(jié)。

目前，該團(tuán)隊(duì)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(cè)算法。一些公司已將該軟件投入使用，默克制藥公司計(jì)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(jī)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(cè)工具之一。

盡管每個(gè)小組都從不同角度探討化學(xué)的自動(dòng)化問(wèn)題，但他們殊途同歸。菲舍爾說(shuō)：“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(shí)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。”(記者 劉 霞)

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