Una piattaforma di chimica a guida autonoma che, secondo gli sviluppatori, costa circa 5.000 dollari da realizzare è ora documentata in ogni dettaglio, contro i più di 50.000 dollari del suo predecessore. RoboChem Flex è un robot di sintesi autonomo progettato da un team guidato dal professor Timothy Noël presso il Van 't Hoff Institute for Molecular Sciences dell'Università di Amsterdam. Il gruppo lo descrive su Nature Synthesis, e l'articolo contiene le informazioni che servono a un laboratorio per costruire la propria unità.
Da un sistema da 50.000 dollari a uno da 5.000
Il primo RoboChem è comparso sulla rivista Science all'inizio del 2024. Univa un sistema autonomo di chimica in flusso a uno strumento NMR da banco per le analisi, mentre un'unità di machine learning controllava l'intero impianto. Lavorando giorno e notte, era in grado di ottimizzare la sintesi di dieci-venti molecole senza intervento umano. Il gruppo di Noël sostiene che per un dottorando quel carico di lavoro richiederebbe diversi mesi.
L'hardware aveva però un limite. Secondo Noël, il sistema costava più di 50.000 dollari, cifra che non comprendeva l'attrezzatura NMR, anch'essa costosa. Piattaforme di questo tipo hanno spesso prezzi tali da renderle accessibili solo a istituzioni ben finanziate. Noël giudica controproducente questa esclusività. Per usare le sue parole, il progresso scientifico richiede strumenti scalabili ed economici che mettano i ricercatori in grado di lavorare a prescindere dalle risorse disponibili.
RoboChem Flex è la risposta del gruppo. Il costo stimato è di circa 5.000 dollari, e la piattaforma copre fotocatalisi, biocatalisi, cross-coupling termico e altri ambiti della chimica. Noël osserva che esistono altri sistemi automatizzati a prezzi accessibili, ma tendono a concentrarsi su problemi molto circoscritti, limitando così la ricerca che possono sostenere.
Componenti commerciali, stampa 3D e software open source
Per contenere i costi, RoboChem Flex utilizza componenti facilmente reperibili o equivalenti stampati in 3D. Il gruppo spiega che questo abbassa il prezzo e consente anche una rapida personalizzazione e uno sviluppo iterativo.
La comunicazione tra i moduli hardware passa per OmniPlatypus, un pacchetto software scritto internamente dal gruppo di Noël e rilasciato come open source. Supporta un'architettura plug-and-play e richiede un'attività di programmazione minima da parte dell'utente.
Il livello di ottimizzazione è un agente modulare di ottimizzazione bayesiana, che gli utenti possono adattare agli obiettivi di un esperimento specifico. La piattaforma può collegarsi a diversi strumenti analitici in linea, tra cui NMR, UHPLC-MS e spettroscopia Raman. Con questi strumenti collegati, può eseguire in autonomia l'ottimizzazione di reazioni a ciclo chiuso, 24 ore su 24.
Tutto il codice è disponibile su GitHub. Include il codice di machine learning e di ottimizzazione, il software dell'interfaccia grafica, il firmware dei dispositivi, il codice di controllo operativo, i file di progetto per la stampa 3D e gli schemi hardware.
Una soluzione con operatore umano per i laboratori senza analisi in linea
Gli strumenti analitici in linea possono costare molto più del robot stesso, e il gruppo riconosce che il costo potrebbe superare in modo significativo i 5.000 dollari del sistema di base. Per ovviare al problema, il team ha realizzato un'unità di campionamento di liquidi stampata in 3D.
Il modulo raccoglie i campioni di reazione, che i ricercatori analizzano poi con le attrezzature già presenti in laboratorio e che, secondo Noël, sono spesso condivise tra più gruppi di ricerca. Questo approccio con l'uomo nel ciclo (human-in-the-loop) vuole essere un modo pratico e accessibile per avvicinarsi all'ottimizzazione automatizzata. Il gruppo afferma di voler offrire ai laboratori con risorse limitate strumenti paragonabili a quelli delle istituzioni ben finanziate.
Sei casi di studio
Il team ha messo alla prova RoboChem Flex su sei casi di studio in diversi ambiti della chimica. Sono l'ottimizzazione della trifluorometilazione del pirrolo con esplorazione adattiva pesata e analisi NMR; la funzionalizzazione deossigenativa di legami C–H tramite ottimizzazione dell'ipervolume con analisi HPLC; l'ottimizzazione dell'ipervolume in presenza di rumore per la marcatura isotopica fotocatalitica con spettroscopia Raman; e la riduzione enzimatica selettiva di un dichetone con funzionamento human-in-the-loop e batching a doppia acquisizione.
Gli altri due sono l'ottimizzazione delle amminazioni di Buchwald-Hartwig tramite transfer learning e featurizzazione dei leganti, e l'ottimizzazione multiobiettivo di una cicloaddizione [2+2] fotocatalitica enantioselettiva con HPLC chirale. Noël afferma che ogni studio mostra come la piattaforma possa essere adattata al problema da affrontare. Il gruppo ha inoltre eseguito in laboratorio le sintesi proposte dalle ottimizzazioni, per verificare che i risultati reggano nella pratica.
L'articolo di Nature Synthesis, intitolato A flexible and affordable self-driving laboratory for automated reaction optimization, riporta tra gli autori Simone Pilon, Elia Savino, Oliver M. Bayley e Noël, insieme a numerosi altri coautori.
Analisi: cosa risolve e cosa non risolve il taglio di prezzo
Il punto chiave è la combinazione di prezzo ridotto e documentazione completa. Un calo di dieci volte o più rispetto al costo del sistema originale, insieme a codice aperto, file di progetto e schemi, elimina due ostacoli in un colpo solo: il prezzo d'acquisto e la necessità di fare reverse engineering. Per un robot di sintesi autonomo, pubblicare i dettagli di costruzione conta quanto la cifra del costo, perché consente ad altri gruppi di modificare la piattaforma e non soltanto di usarla.
Il confronto con il primo RoboChem va fatto con cautela. La cifra di 50.000 dollari escludeva l'attrezzatura NMR, e quella di 5.000 dollari esclude l'analisi in linea. I due numeri non misurano in modo omogeneo un sistema completo e funzionante. Un laboratorio che voglia un funzionamento a ciclo completamente chiuso dovrebbe comunque acquistare strumenti che, secondo la fonte, potrebbero costare molto più del robot. L'unità di campionamento human-in-the-loop aggira il problema, ma sacrifica una parte dell'autonomia, perché una persona deve portare i campioni all'analizzatore.
Rispetto agli altri sistemi automatizzati a prezzi accessibili, l'affermazione della fonte è che questi strumenti sacrificano il potenziale di ricerca concentrandosi su problemi ristretti. Sei casi di studio tra fotocatalisi, biocatalisi e cross-coupling offrono una prova di versatilità. Tale prova proviene però dal gruppo che ha sviluppato la piattaforma, e la fonte non riporta risultati ottenuti da altri laboratori.
Restano aperte diverse questioni. La cifra di 5.000 dollari è una stima, e la fonte non ne fornisce il dettaglio. Non indica quante molecole RoboChem Flex possa ottimizzare né in quanto tempo, quindi non si sa se eguagli la resa del sistema originale. Non è stato dimostrato che gruppi esterni riescano a costruirlo a partire dall'articolo senza particolari difficoltà. Saranno questi risultati a stabilire se la piattaforma allargherà davvero l'accesso alla chimica autonoma o se offrirà soprattutto ai gruppi già ben attrezzati un'opzione più economica.