Übersetzen von Ausgaben der Retrosynthese-Software in automatische Syntheseanweisungen

Retrosynthese-Software wie SYNTHIA® kann detaillierte Synthesewege zu einem Zielmolekül ausgeben. Diese Ausgaben umfassen in der Regel Reaktionstypen, Reagenzien und Literaturhinweise. Während sie von Chemikern leicht zu interpretieren sind, können sie von Laborrobotern nicht sofort ausgeführt werden. Um diese Lücke zu schließen, müssen vom Menschen lesbare Pläne in maschinenlesbare Anweisungen übersetzt werden - Anweisungen wie das Dosieren von Flüssigkeiten, das Einstellen von Temperaturen oder das Rühren für eine bestimmte Dauer. Diese Übersetzung ist nicht trivial. Jeder Schritt muss mit Details wie Reagenzienmengen, Reihenfolge der Zugabe, Wahl des Lösungsmittels, Temperatur und Reaktionszeit standardisiert werden. Heutzutage führen Chemiker diese Übersetzung oft manuell durch, indem sie Protokolle schreiben, aber das Feld bewegt sich in Richtung direkter Software-zu-Hardware-Integration.

Standardisierung von Syntheserezepten

Ein Ansatz zur Verringerung dieser Lücke ist die Schaffung standardisierter, maschinenlesbarer Formate für chemische Rezepte. Forscher haben sogar chemische Programmiersprachen entwickelt, die Laborverfahren auf strukturierte Weise kodieren. Synple chem beispielsweise ist ein automatischer Tischsynthesizer mit einem standardisierten Reaktionsprotokoll für die gängigsten Reaktionen in der organischen Chemie (reduktive Animation, Amidkupplungen, Suzuki-Reaktionen usw.), so dass Chemiker einfach die entsprechende Reagenzienkartusche und ihre Probe einlegen und dann ein voreingestelltes Programm wählen können, das Zeit, Temperatur und Lösungsmittelvolumen bestimmt.

SYNTHIA steigert diese Effizienz noch weiter, indem es Routen für Reaktionen entwirft, für die es bereits vordefinierte Synple chem-Programme/Kartuschen gibt, so dass nachfolgende Syntheseschritte automatisiert werden können.

Integration mit Laborhardware

Die Ergebnisse der Retrosynthese müssen auch auf die Fähigkeiten der verfügbaren Automatisierungsplattformen zugeschnitten sein. Verschiedene automatisierte Synthesizer unterscheiden sich in ihrer Kapazität für die Handhabung von Reagenzien, den unterstützten Reaktionstypen und den Umgebungskontrollen. Nicht jeder rechnerisch vorgeschlagene Weg kann auf jedem Gerät ausgeführt werden. So kann beispielsweise ein Weg, der eine kryogene Metallisierung erfordert, auf einem Tisch-Roboterreaktor nicht durchführbar sein.

Aus diesem Grund ist die Kompatibilität mit der Automatisierung ein wichtiges Bewertungskriterium geworden. Die Forscher Gao und Coley haben vorgeschlagen, die Synthesewege nicht nur nach ihrer chemischen Durchführbarkeit, sondern auch nach ihrer Hardware-Kompatibilität zu bewerten. SYNTHIA repräsentiert dieses Konzept durch seine Kompatibilität mit demAutomatisierten Synthesizer Synpleder die Entwicklung von Synthesewegen mit einer maßgeschneiderten Reihe von potenziellen Synthesewegen für ein bestimmtes Zielmolekül beschleunigt. SYNTHIA kann somit Routen vorschlagen, die durch das Synple-System gefiltert werden, so dass der Benutzer die gewünschten Pfade auswählen und das System so programmieren kann, dass es einzelne Reaktionsschritte ausführt.

Erfahren Sie hier mehr über die wichtigsten Strategien und Ansätze in der retrosynthetischen Analyse.

Herausforderungen und laufende Entwicklungen

Trotz bedeutender Fortschritte ist die vollautomatische Übersetzung noch nicht abgeschlossen. Jeder retrosynthetische Schritt muss in einem Protokoll mit Betriebsbedingungen detailliert beschrieben werden. Literaturhinweise liefern diese oft, aber die automatische Extraktion der Bedingungen ist komplex. Fortschritte in der Verarbeitung natürlicher Sprache (NLP) und im Text Mining ermöglichen es, die Extraktion experimenteller Details aus Veröffentlichungen zu automatisieren, so dass KI-Modelle ausführbare Verfahren generieren können.

Ein weiterer vielversprechender Ansatz ist die Verwendung von vorlagenbasierten Protokollen: Bibliotheken mit Standardarbeitsanweisungen für gängige Reaktionstypen, die mit spezifischen Reagenzien und Bedingungen gefüllt werden können. Die datenzentrierte Integration stärkt diesen Prozess weiter. Durch die Aufzeichnung der Ergebnisse jedes Laufs können die Systeme lernen, welche Anweisungssätze durchgängig zuverlässige Ergebnisse liefern, wodurch die Übersetzungsgenauigkeit im Laufe der Zeit verbessert wird.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der Prozess der Umwandlung von Retrosynthese-Outputs in Maschinenanweisungen die Verfeinerung von Routen für die Hardwarekompatibilität, die Anreicherung mit Bedingungen, die Codierung in strukturierten Formaten und die Ausführung durch Roboterplattformen umfasst. Mit den fortlaufenden Fortschritten in den Bereichen KI, NLP und Automatisierung schließt sich die Lücke zwischen Planung und Ausführung immer mehr. Autonome Labore entwickeln sich weiter,die Ergebnisse der Retrosynthese-Software in zunehmendem Maße direkt in die robotergestützte Ausführung einfließen, wodurch die Grenze zwischen dem Wissen, was zu tun ist, und der Ausführung aufgehoben wird.

Referenzen

1. Gao W, Raghavan P, Coley CW. Autonome Plattformen für die datengesteuerte organische Synthese. Nat Commun. 2022 Feb 28;13(1):1075. doi: 10.1038/s41467-022-28736-4.
2. Chen, J.; Xu, Q. Artificial intelligence-driven autonomous laboratory for accelerating chemical discovery. Chem. Synth. 2025, 5, 76. https://dx.doi.org/10.20517/cs.2025.66