Polacy współautorami nowej metody badania reakcji chemicznych

Nową metodę badania reakcji chemicznych, która może odmienić sposób pracy w laboratoriach na całym świecie, opracował międzynarodowy zespół badaczy, w którym znalazło się kilku Polaków. Wyniki swoich prac naukowcy opublikowali w czasopiśmie „Nature”.

Zespół działający w ramach Institute for Basic Science (IBS) w Ulsan (Korea Południowa) stworzył własną, niedrogą platformę robotyczną, która dzięki zastosowaniu algorytmów sztucznej inteligencji pozwala w rekordowym tempie przebadać tysiące reakcji chemicznych i generować szczegółowe mapy ich przebiegu.

– Reakcje chemiczne polegają na tym, że łączy się ze sobą pewne substraty i w efekcie otrzymuje się produkt. Jednak na to, co dokładnie powstanie, wpływają nie tylko same składniki, ale też dodatkowe czynniki, takie jak temperatura, ciśnienie czy obecność katalizatorów – wyjaśnił w rozmowie z PAP jeden z autorów badania, Rafał Frydrych z Center for Algorithmic and Robotized Synthesis IBS.

Naukowa hiperprzestrzeń

Normalnie sprawdzenie wszystkich możliwych kombinacji tych czynników, czyli przetestowanie różnych stężeń substratów, temperatur i katalizatorów, zajmowałoby całe lata. Nowe rozwiązanie pozwala przeprowadzić setki reakcji naraz w osobnych, maleńkich probówkach. W efekcie cały proces trwa zaledwie kilka godzin. Każda próbka odpowiada innemu zestawowi warunków, a razem tworzą one pełną mapę reakcji, którą naukowcy nazwali hiperprzestrzenią.

– Pokazaliśmy, że reakcje nie przebiegają liniowo, jak w prostym równaniu A + B = C. W rzeczywistości tworzą całą sieć powiązań między poszczególnymi elementami, a dzięki naszej metodzie każdy chemik może przełączać się między nimi, zmieniając jedynie warunki początkowe – powiedział Frydrych.

Jak wytłumaczył, do tej pory naukowcy w laboratoriach mogli analizować tylko niewielką część możliwych warunków reakcji, ponieważ klasyczne techniki analityczne, takie jak spektroskopia rezonansu magnetycznego czy chromatografia cieczowa – choć bardzo dokładne – są jednocześnie czasochłonne i kosztowne.

Z pomocą przyszły szybkie pomiary optyczne

Dlatego zespół kierowany przez kolejnego Polaka z IBS – prof. Bartosza Grzybowskiego – zbudował od podstaw urządzenie zdolne nie tylko do równoległego prowadzenia setek reakcji, ale także zmienił metodę ich testowania. Wykorzystał w tym celu szybkie pomiary optyczne.

– Każda próbka jest analizowana przy pomocy widma światła w zakresie UV-Vis, a algorytmy komputerowe określają, jakie produkty powstały w reakcji i w jakich ilościach. Takie metody optyczne są tanie i szybkie, a algorytm informuje nas, czy nasza wiedza o przestrzeni danej reakcji jest pełna – wytłumaczył Rafał Frydrych.

W ciągu jednego roku twórcom urządzenia udało się przeanalizować dobrze znane reakcje w zupełnie nowy sposób, odkrywając dodatkowe produkty i powiązania, które wcześniej umykały chemikom. Przykładowo w klasycznej reakcji Hantzscha, stosowanej od 150 lat metodzie syntezy związków pirydynowych, naukowcy odkryli dziewięć nowych związków i produktów pośrednich. Co więcej, wykazali, że prostą zmianą proporcji substratów można „przełączać” całą sieć reakcji tak, by głównym produktem była jedna z trzech różnych substancji. Każdą z nich udało się uzyskiwać z wysoką wydajnością, przekraczającą 60%, i to bez wprowadzania nowych odczynników – wystarczyło odpowiednio ustawić początkowe warunki reakcji.

Algorytmy jeszcze bardziej upraszczają proces

Badacze zauważyli również, że w przypadku reakcji wieloskładnikowych przejścia między produktami są zazwyczaj stopniowe, a nie gwałtowne. To ważna wskazówka dla chemików, oznacza bowiem, że zamiast badać wszystkie możliwe punkty hiperprzestrzeni reakcji, czyli konkretne zestawy warunków, wystarczy sprawdzać tylko co któryś z nich i uzupełniać mapę przy pomocy algorytmów. Dzięki temu można zaoszczędzić czas i zasoby.

W jeszcze innym eksperymencie zespół badał wpływ składu katalizatora na przebieg reakcji. Tu mapy okazały się znacznie bardziej skomplikowane: pojawiało się w nich wiele lokalnych maksimów, czyli warunków, w których reakcja dawała najlepsze rezultaty. Co więcej, nawet drobne zmiany w składzie katalizatora potrafiły zupełnie zmienić kierunek reakcji.

– To pokazuje, że reakcje, w których zmieniamy kompozycje katalizatora, mają inny charakter, ponieważ wpływamy na bariery aktywacji. Dlatego mapa dystrybucji wydajności, którą tworzą, jest znacznie bardziej skomplikowana – wyjaśnił Rafał Frydrych.

Zupełnie nowe spojrzenie na chemię

Ideę działania swojego urządzenia autorzy porównali do elektroniki. Tak, jak można „podglądać” jakiś nieznany układ scalony, badając sygnały na wejściu i wyjściu, tak oni odtworzyli połączenia w chemicznych sieciach reakcji na podstawie warunków początkowych i końcowych produktów. To zupełnie nowe spojrzenie na chemię. Zamiast jednej strzałki prowadzącej od substratu do produktu, otrzymujemy całą sieć powiązań, którą można świadomie sterować.

Zdaniem Rafała Frydrycha badanie, w którym uczestniczył, ma ważny wymiar praktyczny. Dzięki mapom reakcji można lepiej oszczędzać surowce i energię, a jednocześnie z tych samych zestawów substratów wytwarzać różne potrzebne związki: od leków, przez barwniki, po materiały elektroniczne. Takie podejście, znane dotąd z biologii, gdzie sieci metaboliczne potrafią przełączać się w zależności od warunków, po raz pierwszy udało się świadomie zastosować w chemii.

Plany konstrukcyjne swojej platformy oraz pełne oprogramowanie badacze udostępnili w otwartym dostępie, tak, aby każde laboratorium mogło skorzystać z ich technologii i zbudować urządzenie samodzielnie.

– Opracowaliśmy je od podstaw z myślą o niskim koszcie. Dzięki temu może je odtworzyć każdy zespół badawczy na świecie i prowadzić nawet tysiąc reakcji dziennie. To narzędzie ma ułatwiać pracę chemikom. Dostają mapy reakcji i mogą na nie spojrzeć w nowy sposób: gdzie są różne produkty, jak je osiągnąć, jak opisać przestrzeń matematycznie. Dane z urządzenia są spójne i powtarzalne, wiec nadają się też do algorytmów uczenia maszynowego – podkreślił współautor publikacji.

Publikacja, której współautorami są m.in. Bartosz A. Grzybowski, Rafał Frydrych i Daniel Matuszczyk, jest pierwszym tak kompleksowym podejściem do badania reakcji w tzw. hiperprzestrzeniach warunków. Naukowcy przekonują, że ich metoda pozwoli usystematyzować i przyspieszyć odkrywanie nowych reakcji oraz lepiej rozumieć te znane od dawna. To otwiera drogę do bardziej przewidywalnych badań, lepszego wykorzystania danych i zastosowania metod sztucznej inteligencji w planowaniu eksperymentów.

Źródło: naukawpolsce.pl/Katarzyna Czechowicz

Czytaj także: Badacze z Polski, Japonii i Indii opracowali materiał, który zmianą barwy reaguje na siłę