KI-Roboter aus Polen entdeckt vier neue chemische Reaktionen

Ein autonomer Roboter mit künstlicher Intelligenz, entwickelt am Institut für Organische Chemie der Polnischen Akademie der Wissenschaften (IChO PAN), hat eigenständig vier bislang unbekannte chemische Reaktionen entdeckt. Die Maschine führte Laborexperimente vollständig selbstständig durch und wertete die Ergebnisse laufend aus. Die Resultate erschienen in der Fachzeitschrift „Nature Communications“.

Automatisierte asymmetrische Organokatalyse

Das System soll die Suche nach chiralen Molekülen beschleunigen, die mithilfe organischer Katalysatoren hergestellt werden. Solche Verbindungen kommen in zwei spiegelbildlichen Formen vor, den Enantiomeren – vergleichbar mit der linken und rechten Hand. In einer nicht chiralen Umgebung verhalten sich beide gleich, im menschlichen Körper können sie jedoch völlig unterschiedlich wirken. Für die Entwicklung sicherer Medikamente ist es deshalb entscheidend, gezielt nur die gewünschte Form zu erzeugen. Bisher dauerte die Prüfung einer einzelnen enantioselektiven Reaktion für erfahrene Chemiker meist mehrere Stunden.

Die Hardware stammt von Patryk Klochowicz, Doktorand am IChO PAN. Sie besteht aus einem Pipettierroboter mit Bewegung in drei Achsen, einer Nadel an einer ferngesteuerten Spritzenpumpe, Reaktoren und 3D-gedruckten Fläschchenhaltern. Module kühlen und heizen die Proben von minus 40 bis etwa 90 Grad Celsius. Analysemodule auf Chromatographiebasis bestimmen den Enantiomerenüberschuss. Mit zwei solchen Modulen ließen sich 40 bis 50 Gemische pro Tag untersuchen – auch nachts und am Wochenende.

Zuerst im Simulator trainiert

Anschließend erhielt der Roboter einen KI-Algorithmus, der die Bedingungen weiterer Experimente festlegt, darunter Temperatur und Dauer. Anhand der Chromatographiedaten entscheidet er, ob ein Produkt entstanden ist und ob es die gewünschten chiralen Eigenschaften hat. Eingesetzt wurde Deep Reinforcement Learning. Vor dem Einsatz mit echten Reagenzien trainierten die Agenten in zwei Simulatoren: Der erste benötigte 20 Millionen Interaktionen, der zweite fast 10 Millionen. Laut dem Konstrukteur wäre dies in einem realen Labor für Menschen unmöglich.

Der Mensch bleibt entscheidend

Der Hauptautor betont, dass KI und Automatisierung Forscher bei der Wahl wissenschaftlicher Richtungen nicht ersetzen. Intuition und abstraktes Denken bleiben in der organischen Chemie zentral, viele mühsame Laborarbeiten dürften aber automatisiert werden. Die Zahl theoretisch möglicher organischer Moleküle, die für Arzneimittel nützlich sein könnten, wird auf 10 hoch 60 geschätzt. Automatisierte Systeme mit KI-Rechenleistung sollen helfen, dieses riesige Feld effizienter zu erkunden.