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科技日报|摆脱瓶瓶罐罐？化学走进自动化时代


◎ 科技日报采访人员 刘 霞
一直以来 ， 化学家们的工作都通过人工方式完成 ， 虽然自动化在化学领域并非新鲜事 ， 比如多肽的自动合成以及高通量筛选等 ， 但这些自动化合成仅囿于单一类型的化学反应或流程 ， 目前还没有可以涵盖所有合成有机化学的数字自动化标准和通用的化学操作编程语言 。
有科学家向这一任务发起了挑战！据美国消费者新闻与商业频道网站近日报道 ， 包括英国格拉斯哥大学化学家李·克罗宁等人在内 ， 都在想方设法让化学合成变得更自动化 。
比如 ， 克罗宁团队研发出了“化学机器人”以及化学描述语言和相应的计算机软件 ， 这套系统可以将化学文献翻译成机器人可以理解的分子配方 ， 并自动生产这些分子 。
科技日报|摆脱瓶瓶罐罐？化学走进自动化时代
本文插图

克罗宁实验室里的“化学计算机” 。 图片来源：美国消费者新闻与商业频道网站
研究人员称 ， 这些研究和尝试有望引领化学走入自动化时代 ， 加速药物研发进程 ， 催生更高效的太阳能电池并助力太空探索 。
“化学机器人”系统效率与化学家相当
据美国《科学》杂志报道 ， 2018年年底 ， 克罗宁团队研制出了一款“化学计算机” ， 这是一套由试管、烧瓶、过滤和液-液分离装置、蒸发器、以及输送化学物质的管道、阀门和泵组成的系统 ， 其能运行一套编程语言控制相关分子的生成 。
据悉 ， 他们利用这一程序化自动合成系统 ， 在无须人力干预的情况下制备出了3种高品质药用化合物：盐酸苯海拉明、鲁非酰胺和西地那非 ， 其生产效率和产品纯度堪比人工合成 。
现在 ， 他们朝着化学自动化迈出了重要的第二步！本月初 ， 克罗宁团队在《科学》杂志上宣布 ， 他们研发出了一套专用的化学描述语言（XDL） ， 其可以教“化学计算机”做什么 ， 此外 ， 还研发出了一套名为SynthReader软件 ， 可将经过同行评议的学术论文变成“化学计算机”可以执行的程序 。
总而言之 ， 克罗宁团队的新系统将添加等指令转换为XDL ， XDL指导“化学计算机”使用其加热器和试管执行相应的化学反应过程 。 他表示 ， 该系统的优势之一是化学家可以用简单的英语编辑化学反应 ， 无须培训即可操作机器 。 至关重要的是 ， 研究人员可以利用其化学专业知识发现代码中的错误 。
研究人员对该系统开展的测试结果表明 ， 其从文献中提取了12种化学配方 ， “化学计算机”执行这些过程的效率与人类化学家一样 。
克罗宁的梦想是 ， 未来研究人员可以像发送电子邮件和打印PDF文件一样轻松地组装和生产分子 ， 使药品生产加快进入数字化时代 。 如此一来 ， 化学家不必再去亲力亲为做常规合成 ， 可以完全专注于寻找新的反应 。 此外 ， 这套系统可以通过让化学家远离实验室来使合成更安全 ， 并通过帮助研究人员最大限度地减少溶剂使用 ， 实现绿色环保 。
克罗宁团队希望 ， 他们接下来能开发出一个重要分子配方的在线存储库 ， 可供研究人员免费下载 ， 这有望帮助发展中国家更轻松地获得药物 ， 实现更有效的国际科学合作 ， 甚至为人类探索太空提供支持 。
竞相将化学带入自动化时代
克罗宁团队并非单枪匹马在奋斗！目前有数十个小组在竞相将化学带入自动化时代 。 研究人员认为 ， 这一领域所取得的进展有望催生更安全的药物、更高效的太阳能电池板以及颠覆性的新产业 。
SRI生物科学公司就是其中之一 ， 该公司正在开发另一套自动化化学系统 。 首席战略官奈森·柯林斯说：“过去200年来 ， 大多数化学方法大同小异 ， 这是一个非常手工的、由人力驱动的过程 ， 目前 ， 我们正在改变这一现状 。 ”
柯林斯团队正在研发的系统名为“自动合成” 。 该平台使用了一种名为“流动”化学的替代方法 。 克罗宁的方法是让物质在一个烧杯中混合 ， 然后移至另一个烧杯中 。 而流动化学则让化学反应持续进行：化学品一起在管道中流动 ， 在那里发生反应并被带走 。 柯林斯团队今年6月撰文指出 ， “自动合成”系统拥有3000多种通路 ， 可以重现几乎任何一种液基反应 。


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