慧聰涂料原料網(wǎng)訊：我認(rèn)為，建造一臺(tái)合成機(jī)器完全可行，能夠制造出需要的小分子 
能合成任何有機(jī)化合物的機(jī)器有望重塑化學(xué) 在拍攝自上世紀(jì)60年代的一張褪色相片中，有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室看上去就像煉金術(shù)的天堂。架子上有成排的試劑瓶；玻璃器皿被擺放在木頭貨架上；科學(xué)家俯在案邊忙碌地制造著分子。 經(jīng)過(guò)50年的快速發(fā)展，該場(chǎng)景在逐步改變。2014年的實(shí)驗(yàn)室擁有一連串通風(fēng)櫥和分析儀器。但是研究人員工作的真諦是一樣的。有機(jī)化學(xué)家通常在紙上計(jì)劃自己的工作，不斷描繪六邊形和碳鏈直到他們想出合成給定分子所需要的反應(yīng)順序。然后，他們?cè)囍裱@一順序用手進(jìn)行操作：煞費(fèi)苦心地混合、過(guò)濾和蒸餾，以及縫合分子。 不過(guò)，化學(xué)家目前正試圖通過(guò)創(chuàng)造能自動(dòng)制造有機(jī)分子的設(shè)備，將雙手從該領(lǐng)域中解放出來(lái)?！拔艺J(rèn)為，建造一臺(tái)合成機(jī)器完全可行，能夠制造出需要的小分子?！庇?guó)南安普頓大學(xué)化學(xué)家Richard Whitby說(shuō)?！蹲匀弧冯s志報(bào)道稱，確實(shí)，這樣一臺(tái)機(jī)器能提供驚人的多樣化合物，以便研究人員開(kāi)發(fā)藥物、農(nóng)藥或物質(zhì)。 “一臺(tái)合成機(jī)器將是變革性的。”美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT）化學(xué)家Tim Jamison說(shuō)，“我可以看到每一個(gè)領(lǐng)域的挑戰(zhàn)，但我不認(rèn)為這不可能做到?！? 一個(gè)名為“呼叫分子”的英國(guó)項(xiàng)目正在為此奠定基礎(chǔ)。Whitby領(lǐng)銜的該項(xiàng)目耗資70萬(wàn)英鎊，始于2010年，目前運(yùn)營(yíng)會(huì)持續(xù)到2015年5月。到目前為止，該項(xiàng)目主要致力于找出這臺(tái)設(shè)備所需要的組件，并集合450多位研究人員和60家企業(yè)幫助實(shí)現(xiàn)這個(gè)點(diǎn)子。Whitby表示，大家希望這個(gè)平臺(tái)能夠幫助團(tuán)隊(duì)成員吸引完成該任務(wù)所需要的長(zhǎng)期支持。 項(xiàng)目成員也認(rèn)為，即便這些努力有可能功虧一簣，合成機(jī)器的早期工作也仍將改變化學(xué)研究。它將能在持續(xù)過(guò)程中完成大量化學(xué)反應(yīng)，而非一次一步；計(jì)算能預(yù)測(cè)將分子編織在一起的最佳方式等?；蛟S最重要的是，它能通過(guò)鼓勵(lì)化學(xué)家記錄和分享更多化學(xué)反應(yīng)數(shù)據(jù)觸發(fā)文化的徹底改變。 “如果擁有充足資金，5年，我們能做到?！币矒碛凶约旱暮铣蓹C(jī)器建造計(jì)劃的美國(guó)西北大學(xué)化學(xué)家Bartosz Grzybowski說(shuō)。 電氣夢(mèng) 如果化學(xué)家有機(jī)會(huì)建成他們的夢(mèng)想設(shè)備，那必須將3個(gè)核心能力結(jié)合在一起。首先，機(jī)器必須能夠訪問(wèn)有關(guān)分子如何被建造的現(xiàn)有知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)。第二，它必須能將這種知識(shí)反饋給一種算法，以便規(guī)劃合成步驟。最后，它必須能自動(dòng)按順序使用機(jī)器反應(yīng)器中的試劑。 最后一步的技術(shù)進(jìn)步最快。許多實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)擁有生產(chǎn)DNA和多肽的專用機(jī)器，在過(guò)去10年間，適應(yīng)性強(qiáng)的機(jī)器人化學(xué)家在商業(yè)藥學(xué)研究中變得越來(lái)越重。但現(xiàn)存的機(jī)器能力有限：DNA或蛋白質(zhì)序列生成機(jī)器通常只能結(jié)合少數(shù)分子，少于6個(gè)反應(yīng)使用的分子。更多樣化的合成機(jī)器對(duì)大多數(shù)學(xué)術(shù)團(tuán)體而言太過(guò)昂貴――花費(fèi)從3萬(wàn)英鎊到5萬(wàn)多英鎊，并仍趨向于制造化學(xué)特性狹窄的分子。 現(xiàn)在，一些化學(xué)家在試著開(kāi)發(fā)連續(xù)流動(dòng)合成機(jī)器。這能提高速度和產(chǎn)量，并更適合自動(dòng)化。 例如，Jamison目前在諾華―MIT連續(xù)生產(chǎn)中心研發(fā)流動(dòng)化學(xué)系統(tǒng)，他也是去年首次報(bào)告端對(duì)端、完全連續(xù)的合成和制藥規(guī)劃（阿利克侖半富馬酸鹽，用于治療高血壓）研究小組的成員。Jamison和同事建造了一臺(tái)7米多長(zhǎng)、2.5米高和深的機(jī)器。“在4年的時(shí)間里，‘所有會(huì)出錯(cuò)的東西最終都會(huì)出錯(cuò)’?！盡IT中心主任、該項(xiàng)目負(fù)責(zé)人Bernhardt Trout說(shuō)。 他表示，在進(jìn)行了反復(fù)試驗(yàn)后，研究人員意識(shí)到自己需要做的只是扳動(dòng)開(kāi)關(guān)，以及填入新鮮的試劑和原料。這臺(tái)機(jī)器在精疲力竭地?cái)嚢杌瘜W(xué)品的時(shí)候，會(huì)像大型空調(diào)設(shè)備那樣發(fā)出嗡嗡聲，過(guò)濾裝置進(jìn)行滴水和擠壓，螺旋輸送器會(huì)將固體送過(guò)2米長(zhǎng)的干燥管進(jìn)行注塑。最后，在經(jīng)歷了14道工序和47小時(shí)后，完成的藥片會(huì)掉落到斜槽上。 Jamison認(rèn)為，這在適應(yīng)連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)方面會(huì)有巨大潛力：“我認(rèn)為這最終將實(shí)現(xiàn)（所有反應(yīng)的）50%，可能甚至75%。” 化學(xué)腦 “呼叫分子”合作成員、葛蘭素史克公司（英國(guó)制藥公司）自動(dòng)化專家Yuichi Tateno提到，盡管自動(dòng)化設(shè)備正變得更萬(wàn)能，但教導(dǎo)一臺(tái)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)自己的合成工序仍然是個(gè)大問(wèn)題?！坝布恢痹谀抢?，但軟件和數(shù)據(jù)是問(wèn)題?！彼f(shuō)。 化學(xué)家在規(guī)劃一個(gè)合成體，趨向于使用一種名為逆向合成分析的方法。他們畫(huà)出最終的分子，然后將其分離。這將讓他們得以確定需要從原料中獲得的化學(xué)拼圖碎片，然后在實(shí)驗(yàn)室里設(shè)計(jì)出策略將碎片結(jié)合起來(lái)。 如果有需要的話，他們也能從Sci Finder和Reaxys等商業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)中尋求靈感。將一個(gè)分子結(jié)構(gòu)或一個(gè)反應(yīng)輸入數(shù)據(jù)庫(kù)中，就能生成文獻(xiàn)上的案例。但Tateno表示，即便有在線幫助，人們的合成工作也經(jīng)常會(huì)失敗?！霸谀抢铮瑳](méi)有人能無(wú)所不知。” Whitby提到，人們希望一臺(tái)合成機(jī)器終有一天能做到更好，尤其是因?yàn)橛?jì)算機(jī)能更快速地掃描兆兆字節(jié)的化學(xué)數(shù)據(jù)，以確定明確的化學(xué)反應(yīng)。他補(bǔ)充道，更大的挑戰(zhàn)是計(jì)算機(jī)更難計(jì)算出該反應(yīng)是否將在合成過(guò)程中真正起作用，當(dāng)目標(biāo)物質(zhì)之前從未制造時(shí)尤為困難。 這個(gè)問(wèn)題讓哈佛大學(xué)化學(xué)家Elias Corey十分困惑。Corey于上世紀(jì)60年代確定了逆向合成規(guī)則。在接下來(lái)的10年間，Corey開(kāi)發(fā)出LHASA軟件（應(yīng)用于綜合分析的邏輯和啟發(fā)式方法），該軟件能使用這些規(guī)則提示合成步驟的順序。 但LHASA和后續(xù)者都未能成功，Grzybowski提到，數(shù)據(jù)庫(kù)包括的反應(yīng)太少而錯(cuò)誤太多，或者算法無(wú)法適當(dāng)評(píng)估推薦反應(yīng)能否與分子內(nèi)的所有功能團(tuán)和諧共處?！叭绻覀円淮沃荒苤圃煲粋€(gè)化學(xué)鍵，那化學(xué)將微不足道。”他說(shuō)。于是Grzybowski花費(fèi)10年時(shí)間創(chuàng)建了Chematica系統(tǒng)來(lái)解決這些問(wèn)題。 更強(qiáng)、更快、更便宜 當(dāng)Grzybowski在2005年首次公開(kāi)Chematica背后的網(wǎng)絡(luò)后，“人們說(shuō)那是胡說(shuō)八道”。他笑道。但到2012年，情況發(fā)生了變化，他與同事發(fā)表了3篇里程碑式的文章，展示Chematica的效用。例如，該項(xiàng)目發(fā)現(xiàn)大量的“onepot”合成體，在這里，試劑能夠從一個(gè)容器進(jìn)入另一個(gè)容器，不用在每一步之后進(jìn)行麻煩的分離和凈化。該研究小組測(cè)試了Chematica的建議，結(jié)果顯示許多建議比傳統(tǒng)方法更有效。 Chematica還能查閱初始材料的成本信息，以及評(píng)估每個(gè)反應(yīng)的勞動(dòng)力，以便預(yù)測(cè)最便宜的方法。Grzybowski實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)了該系統(tǒng)推薦的51個(gè)廉價(jià)合成法，結(jié)果將成本降低了45%。 Grzybowski希望該系統(tǒng)能夠商業(yè)化，而且他向波蘭政府出價(jià)230萬(wàn)美元，將Chematica用作合成機(jī)器的大腦，以證明其能自動(dòng)計(jì)劃和執(zhí)行至少3種重要藥物分子的合成工作。 但也有人對(duì)此表示懷疑。Cat ScI公司商業(yè)總監(jiān)Simon Tyler提到，對(duì)于可預(yù)知的未來(lái)，“總有對(duì)人為干預(yù)的重要需要”。要建造一臺(tái)合成機(jī)器，“我們需要預(yù)測(cè)一個(gè)反應(yīng)何時(shí)能起作用，但更重要的是我們需要預(yù)測(cè)何時(shí)會(huì)失敗”。 另一方面，資金也是一大障礙。自動(dòng)化機(jī)器的費(fèi)用意味著很少有學(xué)者能熟悉它們。當(dāng)有大量的研究生勞動(dòng)力時(shí)，實(shí)驗(yàn)室也沒(méi)有動(dòng)力使用這些設(shè)備。Whitby正在游說(shuō)相關(guān)方面主持建造最先進(jìn)的自動(dòng)合成設(shè)備和軟件。在目標(biāo)實(shí)現(xiàn)之前，他希望“呼叫分子”能讓新一代化學(xué)家信奉數(shù)據(jù)共享和自動(dòng)化操作。 責(zé)任編輯：安朋偉 【慧聰資訊手機(jī)客戶端下載 】 |
