Fot. The Grzybowski Group/Twitter

Autorami dokonania jest grupa trzynastu naukowców z Instytutu Chemii Organicznej PAN i trojga z Northwestern University w USA. Pracami nad „Chematica” kierował od prawie 20 lat prof. Bartosz Grzybowski. Prace prowadził najpierw w ramach start-upu założonego na tym amerykańskim uniwersytecie, a ostatnio w Instytucie Chemii Organicznej PAN i koreańskim Institute for Basic Science. Na przestrzeni lat naukowcy ci opracowali program komputerowy, pozwalający na stworzenie w zasadzie każdego związku chemicznego, który może przyjść chemikowi do głowy – nawet, jeśli wykonanie zdawało się niewykonalne lub bardzo trudne – opisuje w rozmowie z PAP prof. Grzybowski. – „Chematica” umożliwia syntezę znanych lub nieznanych do tej pory związków. Dzięki „Chematica”, metody ich syntezy można tworzyć szybciej i wydajniej, bo algorytm może dobrać bardziej dostępne surowce niezbędne do syntezy – dodaje naukowiec. Podaje przykład różnego rodzaju związków, które co prawda występują naturalnie w przyrodzie, ale w ograniczonej ilości.

Wcześniej programy komputerowe wykorzystywane były tylko do prostych syntez, które równie dobrze chemicy mogli zaprojektować w ciągu kilku minut, i to bez pomocy komputera. – Jest jednak wiele związków, których powstanie wymaga aż kilkudziesięciu kroków syntezy. Tak jest np. z taksolem – lekiem na raka. Żeby go wykonać, trzeba się naprawdę natrudzić, bo planowanie syntezy złożonych związków w chemii jest jej najtrudniejszym działaniem – podkreśla prof. Grzybowski. Wskazuje, że tego typu skomplikowanych syntez może się podjąć najwyżej ok. tysiąca bardzo dobrze wykwalifikowanych osób na świecie. Taka praca wymaga jednak miesięcy, a nawet lat. – System „Chematica” robi to zaledwie w ciągu kilku godzin i to w sposób bezbłędny, co potwierdzają opublikowane w „Nature” eksperymenty przeprowadzone we współpracy z grupami prof. Jacka Młynarskiego z ICHO i Milana Mrksicha z Northwestern – mówi badacz. Wskazuje, że pojawiły się już pierwsze prace czołowych amerykańskich uniwersytetów, których autorzy zweryfikowali poprawność działania programu we własnych syntezach, np. do produkcji potencjalnych leków na COVID-19. 

– Algorytm nauczony jest również tworzenia nowych związków w taki sposób, by ich syntezy były przyjazne dla środowiska. To oznacza, że niezbędne do ich stworzenia komponenty czy też metody reakcji nie mogą być toksyczne – wyjaśnia naukowiec z PAN. „Chematica” jest też „sprytna”: może syntezować np. leki w taki sposób, by obejść znane patenty – potrzebne związki powstają w sposób inny, niż jest to ujęte w zastrzeżonej procedurze, z innych składników. – Oprócz leków „Chematica” radzi sobie też oczywiście z planowaniem syntez związków wykorzystywanych w innych działach przemysłu – pigmentów, feromonów czy też związków używanych w nowoczesnej optoelektronice – dodaje naukowiec.

Prof. Grzybowski mówi, że naukowcy pracowali nad takim programem praktycznie od momentu powstania komputerów. Miał on umożliwić planowanie skomplikowanych syntez chemicznych z pominięciem udziału człowieka. Jeszcze na początku XXI w. koledzy po fachu, z którymi rozmawiał prof. Grzybowski, byli przekonani, że takiego systemu nie da się opracować. Dlaczego? Bo system musiałby umieć naśladować „natchnione” myślenie chemika i działać w oparciu o olbrzymią liczbę reguł chemicznych, których jest ok. 100 tys. – Komputer trzeba nauczyć nie tylko „myślenia” (metodami sztucznej inteligencji), ale też zakodować mu wszystkie podstawowe reguły chemii. To są czasami bardzo skomplikowane reguły „inżynieryjne”, działające na poziomie atomów – opisuje naukowiec.

Przypomina on podziwiany przez ludzi na świecie program, który pokonał mistrza gry w GO, co niedawno również opisano w „Nature”. – W porównaniu do GO, chemia syntetyczna jest dużo bardziej skomplikowana – komentuje i podkreśla, że nad wykonaniem programu, planującego skomplikowane syntezy chemiczne w trójmiarze, skupiali się m.in. najwięksi chemicy XX w., tacy jak Elias James Corey – laureat nagrody Nobla, Ivar Karl Ugi czy Carl Djerassi. – Jeszcze gdy byłem doktorantem na Harvardzie, prof. E. J. Corey doradzał mi po własnych nieudanych próbach, by się przygotowaniem takiego systemu nie zajmować, bo to był – w jego ocenie – problem nie do rozwiązania. To było ponad 20 lat temu – wspomina prof. Grzybowski. 

Polski badacz – wbrew opinii części środowiska – nie porzucił pracy nad systemem, który od jego amerykańskich „początków” został już skomercjalizowany w ramach korporacji Merck. Obecnie korzysta z niego kilkanaście głównych korporacji farmaceutycznych i chemicznych na świecie. Jest też dostępny dla niektórych naukowców. Dokonanie zostało obecnie podsumowane w „Nature” w specjalnym, przyspieszonym trybie przed oficjalną publikacją. 

PAP - Nauka w Polsce, Szymon Zdziebłowski