UvA-onderzoekers bouwen ChatGPT voor de chemie
Vijf jaar lang werkten UvA-scheikundigen aan een robot die het werk van een organisch chemicus over kan nemen. Op 25 januari werden die resultaten gepubliceerd in het vooraanstaande vakblad Science. Met de data die de robot genereert kan AI straks voorspellen welke reactie het beste werkt. ‘First time right, dat zou fantastisch zijn.’
Luide muziek, overvolle labkasten volgeschreven met moleculen en studenten en promovendi die chemische reacties uitvoeren in ronde kolfjes in verwarmingsbaden of ijsbaden. Het is het lab van de organisch chemici, de scheikundigen die maandenlang in het lab doorbrengen om een specifiek molecuul te maken, onder andere voor de farmaceutische industrie.
Sinds kort hebben zij er een collega bij, de syntheserobot RoboChem die precies een werkbank in beslag neemt. RoboChem werkt 24 uur per dag en optimaliseert in één week de synthese van zo'n tien tot twintig moleculen – een promovendus zou daar maanden over doen.
‘Dat was een van de redenen om de robot te bouwen,’ vertelt hoogleraar Timothy Noël van het Van ’t Hoff Institute for Molecular Sciences (HIMS), die samen met software-ingenieurs, AI-specialisten en organisch chemici de afgelopen vijf jaar aan de robot werkte. Organisch chemici zijn de helft van hun tijd kwijt aan het verhogen van het rendement van reacties, dat begint vaak bij vijf procent van de beginstof die wordt omgezet naar product, maar moet voor publicatie vaak richting de tachtig procent.
Ratatouille
Die taak kan de robot nu overnemen. De organisch chemicus heeft daarbij nog wel de leiding en bepaalt de ingrediënten waarmee de robot de reactie uit gaat voeren. Noël, die graag kookmetaforen gebruikt vergelijkt het met de Disneyfilm Ratatouille: ‘De computer gewapend met AI is de rat Remy, die de kok van onder de koksmuts aanstuurt om het gerecht te maken.’
De chemicus voert de ingrediënten in de computer, die vervolgens instructies geeft aan de robot. Met een naald zuigt de robot chemische stoffen op uit reageerbuisjes, die via dunne slangetjes worden gecombineerd tot het reactiemengsel.
Dat reactiemengsel gaat naar de fotochemische reactor, die de reactie met behulp van licht in gang zet. Noël: ‘Fotochemie is de specialisatie van onze onderzoeksgroep, maar hier zou je evengoed een verwarmingsplaatje of brander in kunnen zetten die de reactie in gang zet.’
Een meetapparaat controleert vervolgens hoeveel product er gevormd is en die gegevens gaan weer terug naar de computer. Het algoritme past op basis van die informatie de reactiecondities aan, waarna het proces weer opnieuw begint. Noël: ‘De computer leert van die iteraties en in bijna elke ronde gaat het rendement omhoog.’ In slechts twintig iteraties – afhankelijk van de complexiteit van het molecuul – heeft de computer de optimale reactieomstandigheden bepaald om een nieuw molecuul te maken.
Niet over een nacht ijs
Vorig jaar werkte de robot al naar behoren, maar de onderzoekers gingen niet over één nacht ijs. Het afgelopen jaar hebben ze alle resultaten van de robot handmatig gecontroleerd. ‘Vandaar hebben wij niet veel zorgen om reproduceerbaarheid, want we hebben ons huiswerk gedaan.’
Daarnaast heeft de robot ook reacties uitgevoerd die al in andere papers zijn beschreven. ‘En dan blijkt, dat in alle gevallen de robot de chemicus evenaart en in veel gevallen zelfs overtreft. De robot vindt reactiecondities die nóg beter werken, soms dubbel zo goed.’ Noël staat daar nog steeds versteld van. ‘Je hoopt dat het werkt, maar ik had niet kunnen voorspellen dat het zo goed zou werken.’
‘Dat is allemaal niet zo triviaal hè.’ Hij geeft een voorbeeld. ‘Sommige reacties gebruiken heel veel licht. Maar voor sommige reacties gaat de lamp terug naar 2 watt. Achteraf kan ik dat verklaren, want die moleculen zijn nogal gevoelig. Maar ik weet niet of ik dat op voorhand allemaal had bedacht. De robot ontdekt dit proefondervindelijk en leert wat de gevoeligheden van de chemie zijn.’
AI dringt door in de chemie
Vooralsnog drong AI zich maar moeizaam door in de wereld van de organische chemie. Ondanks de bergen aan literatuur die er is over chemische reacties, kon het algoritme de uitkomst van nieuwe reacties niet voorspellen.
Daar zijn twee redenen voor. Ten eerste heeft elk organisch chemielab zijn eigen receptuur. Noël: ‘De organische synthese is een van de meest conservatieve disciplines van de organische chemie. Wanneer het “receptenboek” eenmaal werkt, dan wordt dat nauwelijks nog aangepast, maar die recepten zijn soms onvolledig en niet altijd reproduceerbaar omdat het ook een menselijke fout bevat.’
Ten tweede, worden reacties vaak pas gepubliceerd wanneer ze een rendement van boven de vijftig procent opleveren. ‘Een algoritme concludeert dan al snel dat alle reacties werken, maar dat klopt uiteraard niet. RoboChem verzamelt de data van álle experimenten en leert juist van de mislukkingen.’
ChatGPT voor de chemie
Wanneer de robot eenmaal een stapel data heeft gegenereerd. Dan is de volgende stap dat AI daar verder op gaat trainen. AI leert dan de logica van chemische reacties te doorgronden zoals Chat GPT taal kan “begrijpen”. ‘Wanneer je die data eenmaal hebt, kunnen we met AI gaan voorspellen wat de beste reactiecondities zijn en hoeveel rendement dat oplevert. Dat is de toekomst. Dan hoef je nog maar één reactie uit te voeren die gelijk de goede is, first time right, dat zou fantastisch zijn.’
Veel concurrentie heeft RoboChem nog niet volgens Noël. ‘Er bestaan wel meer syntheserobots, maar zelden een die de verbeelding van een klassiek organisch chemicus kan vangen. Je hebt er zowel software-ingenieurs, AI-specialisten als chemici voor nodig, er zijn maar een paar onderzoeksgroepen in de wereld die dit soort onderzoek aan kunnen op dit moment.’
Bedrijven in de farmaceutische industrie toonden al hun interesse in de robot. ‘Voor bedrijven in het contractonderzoek is de robot ideaal. Wanneer een klant een bepaald molecuul nodig heeft, kan de robot daar niet alleen de beste reactie voor vinden, maar ook razendsnel opschalen naar grotere hoeveelheden. Er is al een bedrijfje dat een PhD heeft geïnvesteerd om met de robot te werken.’
Betekent dat dat het einde van de organisch chemici? Noël denkt van niet. ‘Er zijn nog steeds mensen die moeten begrijpen hoe deze apparaten werken. Maar ik denk dat de moderne chemist een manusje-van-alles gaat worden: iemand die én iets kent van robotica, én van chemie én van AI.’
