Химия застряла в темных веках – «химпутация» может перенести ее в цифровой мир | Искусство и Досуг

Химия занимается самым фундаментальным предметом: материей. Новые лекарства, материалы и батарейки зависят от нашей способности создавать новые молекулы. Но открытие новых веществ происходит медленно, дорого и хрупко. Каждая молекула рассматривается как индивидуальный проект. Если синтез работает в одной лаборатории, он часто терпит неудачу в другой.

Проблема в том, что любая отдельная молекула может иметь почти бесконечное количество путей к созданию. Эти маршруты публикуются в виде статического текста, лишенного контекста, времени и исправлений ошибок, благодаря которым они изначально работали. Поэтому, хотя химию часто называют одной из самых передовых наук, ее повседневная практика остается на удивление ручной.

На протяжении веков до появления современной химии алхимики работали вручную, смешивая вещества, регулируя условия на ощупь, передавая знания от учителя к ученику, сохраняя при этом множество секретов. Сегодняшние химики используют гораздо больше аналитических инструментов, но основной рабочий процесс практически не изменился.

Мы до сих пор создаем молекулы вручную, используя правила химии, а затем просим высококвалифицированных людей воплотить эти идеи в жизнь в лаборатории, шаг за шагом, реакция за реакцией.

В то же время мы переживаем взрыв в области искусственного интеллекта и робототехники – и химики поспешили применить эти инструменты для молекулярных открытий. Системы искусственного интеллекта могут предлагать миллионы молекул-кандидатов, оценивать и оптимизировать их и даже предлагать пути реакций.

Но, к сожалению, эти инструменты часто галлюцинируют химические вещества, которые невозможно создать, потому что (в отличие от белков) никто еще не усвоил всех практических правил создания молекул в цифровом виде.

Химия не может стать по-настоящему цифровой, если ее нельзя программировать. Другими словами, нам нужно иметь возможность записывать в машиночитаемом виде, как собирать молекулы, включая инструкции, условные выражения, циклы и обработку ошибок, а затем выполнять эти инструкции на разном оборудовании в разных местах с одинаковым результатом.

Без языка, который позволяет выполнять химию, а не просто описывать, современные инструменты искусственного интеллекта рискуют создать не более чем правдоподобные иллюзии новых химических веществ. Именно здесь, на мой взгляд, становится обязательным использование компьютера в качестве архитектуры для создания цифровой химической системы, или «химкомпьютера».

До появления компьютеров расчет был ручным и механическим. Люди использовали логарифмические линейки, таблицы и специальные устройства, созданные для конкретных задач. Но когда Алан Тьюринг показал, что любую вычислимую задачу можно выразить в виде инструкций для простой абстрактной машины, вычисления освободились от необходимости выполнять их на конкретном оборудовании – и прогресс стал экспоненциальным.

Химия никогда не совершала такого скачка. Подобно тому, как повара используют индивидуальные методы для достижения идеального суфле, исследователи по всему миру используют разные способы приготовления химических веществ. Таким образом, хотя автоматизация в химии существует, исследования остаются в основном кустарными по своей природе.

ИИ может за одну ночь разработать тысячу гипотетических лекарств. Но если каждый из них требует, чтобы человек-химик вручную придумал, как его сделать, поскольку генерируемые молекулы не ограничены реальными химическими правилами, мы просто устранили узкое место. Дизайн стал цифровым, а производство — нет.

ХИМИЯ НА КОМПЬЮТЕРАХ

Чтобы правильно оцифровать химию, нам нужен программируемый язык материи, который мог бы кодировать эти правила реального мира. Эта идея побудила меня вместе с коллегами из моей исследовательской лаборатории в Университете Глазго разработать процесс химпутации еще в 2012 году.

Мы построили конкретную абстракцию того, как будет выглядеть химический код, с помощью таких шагов, как «добавь/вычитай материю, затем добавляй/вычитай энергию». Переведя эти шаги в двоичный код, можно было построить компоненты химического компьютера.

Предпосылка проста. Химию можно рассматривать как форму вычислений, выполняемых в физическом мире. Вместо того, чтобы публиковать химию в виде прозы, она публикуется в виде исполняемого кода, как описано в нашей новой печатной статье. Реагенты — это данные. Такие операции, как смешивание, нагревание, разделение и очистка, являются инструкциями. Ряд машин, например показанных на изображении ниже, играют роль процессоров.

Как только химия станет программируемой, мы ожидаем, что многое изменится. Воспроизводимость улучшается, поскольку люди больше не интерпретируют процессы. Совместное использование становится значимым, потому что можно провести синтез, а не переосмыслить его. Важно отметить, что программируемая химия позволяет использовать петли обратной связи для исправления ошибок, при этом датчики отслеживают реакции в режиме реального времени.

САМОУПРАВЛЯЮЩИЕ ЛАБОРАТОРИИ

Наши амбиции в области химпутации сделали большой шаг вперед в июне 2025 года, когда Chemify, наше корпоративное подразделение Университета Глазго, запустило первую в мире хемифарму. На этом предприятии в районе Мэрихилл в Глазго процесс химпутации применяется для создания новых молекул для открытия лекарств и материалов.

Он использует искусственный интеллект и робототехнику, чтобы позволить всей системе «самообучаться» и, таким образом, со временем становиться лучше в создании более совершенных молекул. Открытие становится итеративным, программируемым процессом, а не линейной авантюрой.

Это согласуется с более широким появлением «самоуправляемых» лабораторий – роботизированных лабораторий, которые мы первыми создали и которые используют искусственный интеллект и автоматизацию для повышения скорости и широты исследований.

Химия началась как алхимия – человеческое искусство, основанное на интуиции и тайне: приготовление зелий, манипулирование драгоценными металлами и создание первого лабораторного оборудования. С тех пор она превратилась в строгую науку, но так и не вышла полностью из своих ручных корней. Если мы хотим, чтобы химия шла в ногу с цифровой эпохой, особенно в эпоху, когда доминирует искусственный интеллект, мы должны сейчас завершить этот переход.

Ли Кронин — профессор кафедры химии Университета Глазго. Эта статья переиздана с по лицензии Creative Commons. Прочтите оригинал статьи здесь: /химия-застряла-в-темных-веков-чемпута…