Polnischer Roboter entdeckt vier neue chemische Reaktionen

Ein Roboter vom Institut für Organische Chemie der Polnischen Akademie der Wissenschaften in Warschau hat 30 Tage lang Experimente durchgeführt, Ergebnisse ausgewertet und selbst entschieden, was als Nächstes getestet wird. Er traf mehr als 3.000 Entscheidungen und half, vier bislang unbeschriebene chemische Reaktionen zu entdecken. Das geht aus einer Studie in Nature Communications hervor.

Das Team leitete Dr. Jarosław M. Granda. Die Zahl 3.000 bedeutet nicht 3.000 Versuche: Sie zählt die Entscheidungen der Software, etwa ob bestimmte Bedingungen weiter untersucht werden. Aus der Analyse von 100 ausgewählten Reaktionen gingen vier neue Umwandlungen mit hoher Enantioselektivität hervor. Es handelt sich um neue Wege, Reaktionen auszuführen, nicht um neue Elemente oder Stoffe unbekannter Zusammensetzung.

So arbeitet das System

Die Anlage besteht aus einem Pipettierroboter mit drei Achsen. Eine Nadel an einer Spritzenpumpe überführt vorbereitete Lösungen in Fläschchen, deren Halterungen im 3D-Druck entstanden. Reaktionen laufen bei Temperaturen von -40 bis etwa 90 °C, die Gemische werden per Chromatografie analysiert. Zwei Analysemodule schafften 40 bis 50 Proben pro Tag, auch nachts und am Wochenende.

Die Entscheidungen trifft ein Deep-Reinforcement-Learning-Algorithmus, der aus den Folgen seiner eigenen Handlungen lernt. Bevor er das echte Gerät steuerte, trainierten zwei KI-Agenten in virtuellen Umgebungen, die Experimente und chromatografische Analysen simulierten: der eine mit 20 Millionen Interaktionen, der andere mit 10 Millionen. Der Roboter konnte so festlegen, wie lange eine Reaktion läuft, welche Temperatur gilt und ob sich eine Richtung lohnt.

Bedeutung und Grenzen

Die Forschenden konzentrierten sich auf asymmetrische Organokatalyse, mit der Moleküle mit definierter räumlicher Struktur entstehen. Für die Pharmazie ist das wichtig, weil spiegelbildliche Moleküle im Körper unterschiedlich wirken können. Eine der vier Reaktionen führt zu einer Verbindung mit axialer Chiralität, drei ermöglichen die Synthese von Allenen. Ein Ergebnis betrifft die erste enantioselektive Funktionalisierung eines Molekülfragments namens Pyrrolopyrrol.

Die Autoren betonen, der Roboter forsche nicht völlig unabhängig. Menschen legten das Suchgebiet fest, bereiteten Ausgangsstoffe vor, bauten die Apparatur und entwarfen die Analyse; die Produkte mussten zusätzlich charakterisiert werden. Der Roboter arbeitete in einer Gruppe von Reaktionen mit chiralen Phosphorsäuren. Ob er bei ganz anderer Chemie ebenso gut funktioniert, ist offen, und für neue Medikamente gibt es derzeit keine Grundlage. Der Nutzen: Chemiker können wiederholbare Versuche und einen Teil der Auswahlentscheidungen abgeben und gewinnen Zeit für Planung und Interpretation.