Automatizando a síntese do planejamento à execução

Um novo sistema usa inteligência artificial e robótica para realizar quase todas as etapas da síntese química, desde o planejamento até a execução, com apenas um pouco de ajuda humana (Science 2019, DOI: 10.1126/science.aax1566). Timothy F. Jamison, Klavs F. Jensen e colegas do Instituto de Tecnologia de Massachusetts demonstraram que o sistema poderia sintetizar várias moléculas de fármacos e duas pequenas bibliotecas de compostos.

A equipe do MIT, que incluiu químicos, cientistas da computação e engenheiros químicos e mecânicos, avançou em duas áreas relacionadas: previsão algorítmica de reações e equipamentos automatizados de laboratório. A síntese química progrediu da arte para a ciência ao longo dos séculos. Químicos do século XX, como Robert B. Woodward e Elias J. Corey, ajudaram a desenvolver os fundamentos lógicos do planejamento de síntese e os avanços na ciência da computação permitiram que os humanos ensinassem essas regras a algoritmos de inteligência artificial, os permitindo planejar rotas químicas para moléculas alvo. O progresso simultâneo na robótica e na química de processos permite, de forma semelhante, que sistemas autônomos sigam instruções e realizem sínteses em várias etapas.

Os pesquisadores do MIT treinaram algoritmos de inteligência artificial em reações retiradas de patentes dos EUA e do banco de dados Reaxys. Seu planejador de síntese usa esses algoritmos para propor rotas sintéticas, incluindo condições de reação, para uma determinada molécula e para avaliar qual caminho é melhor em termos do número de etapas e do rendimento previsto.

No outro lado do sistema, um braço robótico configura experimentos conectando tubos que fornecem diferentes reagentes a módulos químicos de fluxo, como reatores e separadores baseados em membranas. Outros grupos demonstraram sistemas de automação baseados em química de lotes, mas Jamison diz que a química de fluxo foi mais adequada para a automação para os tipos de reações que eles estavam tentando fazer. Também permitiu que eles executassem reações em temperaturas e pressões mais altas. O robô da equipe pode sintetizar compostos como aspirina com 91% de rendimento e (S)-varfarina com um rendimento de 78% e uma relação enantiomérica de 4,1: 1. Ele também sintetizou duas bibliotecas de cinco compostos relacionados a fármacos cada.

Embora outros pesquisadores tenham desenvolvido planejadores de síntese de IA ou sintetizadores automáticos, o sistema do grupo MIT é o que mais se aproxima de um sistema totalmente automatizado. “Tenho poucas dúvidas de que esse conceito irá acelerar drasticamente o design sintético e mudará a forma como fazemos sínteses. É verdadeiramente revolucionário”, diz Cathleen Crudden, química orgânica da Queen’s University, em Ontário.

Químicos humanos desempenham um papel no sistema do grupo. Eles editam a receita gerada pela IA antes de ser fornecida ao químico robótico. “Ainda precisamos de um químico para preencher os detalhes” de concentrações, temperaturas e tempo precisos, diz o co-autor Connor Coley, principal desenvolvedor do software do sistema. Jensen diz que os documentos e patentes dos quais sua IA aprendeu nem sempre incluíam essas informações no nível de detalhe que seus algoritmos precisam. Mas Coley diz que não há razão para que um algoritmo não possa fazer esse passo também se tiver os dados corretos.

O grupo não quer substituir os químicos humanos. “O objetivo aqui não é eliminar o químico”, diz Jensen, mas dar aos químicos mais tempo para a criatividade, automatizando as tarefas sintéticas de rotina.

Paul Richardson, da Pfizer, que explorou a automação, observa que as tentativas anteriores de automatizar a síntese não renderam muito retorno sobre o investimento, mas afirma que esse sistema é um avanço empolgante. E ele aprecia a confiança dos pesquisadores em humanos, acrescentando: “É reconfortante ver os autores reconhecerem as limitações de utilizar previsões computacionais, bem como a necessidade em alguns casos de intervenção humana especializada.”