Come creare molecole sfruttando l’Intelligenza Artificiale

Lo strumento, descritto su Nature il 28 marzo, non è il primo software ad utilizzare l’intelligenza artificiale (AI) al posto dell’abilità e dell’intuizione umana. Eppure i chimici considerano lo sviluppo una pietra miliare, dicendo che potrebbe accelerare il processo di scoperta dei farmaci e rendere la chimica organica più efficiente.

“Ciò che abbiamo riscontrato qui è che questo tipo di intelligenza artificiale è in grado di acquisire tali capacità di progettazioni,” dice Pablo Carbonell, che progetta strumenti di sintesi e predizione presso l’Università di Manchester, Regno Unito, e non è stato coinvolto nel lavoro. Egli descrive il lavoro come “un punto di riferimento.”

I chimici hanno convenzionalmente stilato elenchi di reazioni chimiche eseguibili, e tratto dalla propria intuizione la capacità di elaborare un percorso passo-passo per creare un particolare composto. Di solito lavorano a ritroso, iniziando con la molecola che vogliono creare e poi analizzando quali reagenti e sequenze di reazioni facilmente disponibili potrebbero essere utilizzati per sintetizzarla — un processo noto come retrosintesi, che può richiedere ore o addirittura giorni di pianificazione.

Sistema autodidatta

Il nuovo strumento di intelligenza artificiale, sviluppato da Marwin Segler, chimico organico e ricercatore di intelligenza artificiale dell’Università di Münster in Germania, e dai suoi colleghi, utilizza reti neurali basate sul deep-learning per immagazzinare essenzialmente tutte le reazioni note della chimica organica in un solo colpo — circa 12,4 milioni di reazioni. Ciò consente di prevedere le reazioni chimiche che possono essere utilizzate in una singola fase.

Lo strumento applica ripetutamente le capacità di queste reti neurali nella pianificazione di una sintesi in più fasi, decostruendo la molecola desiderata fino a quando non si arriva ad ottenere reagenti di partenza disponibili.

Segler e il suo team hanno testato i percorsi di sintesi che il programma ha creato con un esperimento per vedere se i chimici esperti potevano distinguere i percorsi di sintesi dell’AI da quelli ideati dagli esseri umani. Hanno mostrato a 45 chimici organici provenienti da due istituti in Cina e Germania potenziali vie di sintesi per nove molecole: un percorso suggerito dal sistema, e un altro ideato dagli esseri umani. I chimici non hanno riscontrato sostanziali differenze.

I ricercatori hanno cercato di utilizzare la potenza di calcolo per pianificare la sintesi chimica organica sin dagli anni ’60, con un successo limitato. Ma lo strumento di Segler è uno dei numerosi programmi sviluppati negli ultimi anni che utilizzano l’intelligenza artificiale per individuare potenziali vie di reazione.

Chematica, uno dei software più famosi in questo settore, è stata acquistata dalla società farmaceutica tedesca Merck nel maggio 2017, per una somma non rivelata. Bartosz Grzybowski, un chimico del Ulsan National Institute of Science and Technology in Corea del Sud, e il suo team hanno trascorso anni a inserire le regole della chimica organica nel sistema da cui il programma deve attingere informazioni.

Fase di prova

All’inizio di questo mese, Grzybowski ha riferito che aveva testato otto dei percorsi suggeriti dal suo algoritmo in laboratorio e che tutti funzionavano. “Sono molto contento che ci sia questa rinascita della retrosintesi, e accolgo con favore diversi approcci,” dice.

Lo strumento di Segler è diverso perché impara da solo i dati e non ha bisogno dell’input di regole da parte dell’uomo.

Ola Engkvist, un chimico computazionale della società farmaceutica AstraZeneca di Göteborg, in Svezia, è rimasto colpito dal lavoro. “Aumentare il tasso di successo nella chimica sintetica avrebbe un enorme vantaggio in termini di velocità ed efficienza nei progetti di scoperta dei farmaci, oltre che di riduzione dei costi,” afferma.

Segler afferma che il suo strumento ha già suscitato l’interesse di diverse aziende farmaceutiche. Ma lui non ritiene che questo possa causare l’inattività dei chimici organici. “Sarà un assistente per il chimico che vuole costruire molecole e ottenere da A il composto B nel più breve tempo possibile,” dice. “Il dispositivo di navigazione GPS può rendere ridondanti le mappe cartacee, ma non il conducente dell’auto.”