Une plateforme de chimie autonome dont les concepteurs estiment le coût de fabrication à environ 5 000 dollars est désormais documentée dans son intégralité, contre plus de 50 000 dollars pour son prédécesseur. RoboChem Flex est un robot de synthèse autonome conçu par une équipe dirigée par le professeur Timothy Noël à l'Institut Van 't Hoff des sciences moléculaires de l'Université d'Amsterdam. Le groupe le présente dans Nature Synthesis, et l'article contient toutes les informations dont un laboratoire a besoin pour construire sa propre unité.
D'un système à 50 000 dollars à un système à 5 000 dollars
Le premier RoboChem est paru dans la revue Science début 2024. Il associait un système autonome de chimie en flux à un spectromètre RMN de paillasse pour les analyses, le tout piloté par un module d'apprentissage automatique. Fonctionnant 24 heures sur 24, il était capable d'optimiser la synthèse de dix à vingt molécules sans intervention humaine. Selon le groupe de Noël, une telle charge de travail demanderait plusieurs mois à un doctorant.
Le matériel avait toutefois un défaut. D'après Noël, le système coûtait plus de 50 000 dollars, un montant qui n'incluait pas l'équipement de RMN, lui aussi onéreux. Ces plateformes sont souvent vendues à des prix que seuls les établissements bien financés peuvent se permettre. Noël juge cette exclusivité contre-productive. Selon lui, le progrès scientifique exige des outils évolutifs et économiques, qui donnent les moyens d'agir aux chercheurs, quelles que soient leurs ressources.
RoboChem Flex est la réponse du groupe. Son coût estimé avoisine 5 000 dollars, et la plateforme couvre la photocatalyse, la biocatalyse, le couplage croisé thermique et d'autres domaines de la chimie. Noël souligne qu'il existe d'autres systèmes automatisés abordables, mais qu'ils ont tendance à se concentrer sur des problèmes étroitement définis, ce qui limite les recherches qu'ils peuvent soutenir.
Composants du commerce, impression 3D et logiciel open source
Pour maîtriser les coûts, RoboChem Flex utilise des composants facilement disponibles ou leurs équivalents imprimés en 3D. Le groupe explique que cela réduit le prix tout en permettant une personnalisation rapide et un développement itératif.
La communication entre les modules matériels passe par OmniPlatypus, un logiciel développé en interne par le groupe de Noël et diffusé en open source. Il repose sur une architecture plug-and-play et demande très peu de programmation à l'utilisateur.
La couche d'optimisation est un agent modulaire d'optimisation bayésienne que les utilisateurs peuvent ajuster aux objectifs de chaque expérience. La plateforme peut se connecter à plusieurs instruments d'analyse en ligne, notamment la RMN, la UHPLC-MS et la spectroscopie Raman. Ainsi équipée, elle peut optimiser des réactions en boucle fermée de manière autonome, 24 heures sur 24.
L'ensemble du code est disponible sur GitHub : code d'apprentissage automatique et d'optimisation, logiciel d'interface graphique, micrologiciels des appareils, code de pilotage opérationnel, fichiers de conception pour l'impression 3D et schémas du matériel.
Une option avec l'humain dans la boucle pour les laboratoires sans analyse en ligne
Les instruments d'analyse en ligne peuvent coûter bien plus cher que le robot lui-même, et le groupe reconnaît que leur coût pourrait dépasser largement les 5 000 dollars du système de base. Pour y remédier, l'équipe a conçu une unité d'échantillonnage de liquides imprimée en 3D.
Ce module prélève des échantillons de réaction, que les chercheurs analysent ensuite avec le matériel déjà présent dans le laboratoire, souvent partagé entre plusieurs équipes de recherche, selon Noël. Cette approche avec l'humain dans la boucle se veut une porte d'entrée pratique et abordable vers l'optimisation automatisée. Le groupe affirme vouloir offrir aux laboratoires disposant de peu de moyens des outils comparables à ceux des établissements bien dotés.
Six études de cas
L'équipe a testé RoboChem Flex sur six études de cas couvrant différents domaines de la chimie : l'optimisation de la trifluorométhylation de pyrroles par exploration pondérée adaptative et analyse RMN ; la fonctionnalisation désoxygénante de liaisons C–H par optimisation de l'hypervolume avec analyse HPLC ; l'optimisation bruitée de l'hypervolume pour le marquage isotopique photocatalytique avec spectroscopie Raman ; et la réduction enzymatique sélective d'une dicétone avec l'humain dans la boucle et un traitement par lots à double acquisition.
Les deux dernières portent sur l'optimisation d'aminations de Buchwald-Hartwig par apprentissage par transfert et caractérisation des ligands, et sur l'optimisation multi-objectif d'une cycloaddition [2+2] photocatalytique énantiosélective par HPLC chirale. Pour Noël, chaque étude montre comment la plateforme peut être adaptée au problème traité. Le groupe a aussi réalisé en laboratoire les synthèses proposées par ses optimisations afin de vérifier que les résultats tiennent en pratique.
L'article de Nature Synthesis, intitulé A flexible and affordable self-driving laboratory for automated reaction optimization, compte parmi ses auteurs Simone Pilon, Elia Savino, Oliver M. Bayley et Noël, ainsi que plusieurs coauteurs.
Analyse : ce que la baisse de prix règle, et ce qu'elle ne règle pas
L'intérêt principal tient à l'association d'un prix réduit et d'une documentation complète. Une baisse d'un facteur dix ou plus par rapport au coût du système d'origine, assortie d'un code ouvert, de fichiers de conception et de schémas, lève deux obstacles à la fois : le prix d'achat et la nécessité de faire de la rétro-ingénierie. Pour un robot de synthèse autonome, publier les détails de construction compte autant que le chiffre du coût, car cela permet à d'autres groupes de modifier la plateforme plutôt que de simplement l'utiliser.
La comparaison avec le premier RoboChem demande de la prudence. Les 50 000 dollars excluaient l'équipement de RMN, et les 5 000 dollars excluent l'analyse en ligne. Les deux montants ne mesurent donc pas à périmètre égal une installation complète et fonctionnelle. Un laboratoire souhaitant un fonctionnement entièrement en boucle fermée devrait encore acheter des instruments qui, selon la source, pourraient coûter bien plus cher que le robot. L'unité d'échantillonnage avec l'humain dans la boucle contourne le problème, mais au prix d'une partie de l'autonomie, puisqu'une personne doit transporter les échantillons jusqu'à l'analyseur.
Face aux autres systèmes automatisés abordables, la source affirme que ces outils sacrifient du potentiel de recherche en se concentrant sur des problèmes étroits. Six études de cas couvrant la photocatalyse, la biocatalyse et le couplage croisé apportent des éléments en faveur de la polyvalence de la plateforme. Ces éléments proviennent toutefois du groupe qui l'a développée, et la source ne rapporte aucun résultat obtenu par d'autres laboratoires.
Plusieurs questions restent ouvertes. Les 5 000 dollars sont une estimation, sans détail du budget. La source n'indique pas combien de molécules RoboChem Flex peut optimiser ni à quelle vitesse, si bien qu'on ignore s'il égale le débit du système d'origine. Il n'a pas non plus été démontré que des groupes extérieurs peuvent le construire à partir de l'article sans difficulté majeure. Ces résultats détermineront si la plateforme élargit réellement l'accès à la chimie autonome, ou si elle offre surtout aux équipes déjà bien équipées une option moins chère.