Mkemia wa AI anayekaribia kujiendesha aboresha athari ngumu katika kemia tiba

Kazi ya OpenAI katika sayansi inasukumwa na imani rahisi: AI ya hali ya juu inaweza kuwa mshirika mwenye nguvu kwa wanasayansi, ikiwasaidia kuchunguza mawazo zaidi, kuunganisha dhana zilizo mbali, kubuni majaribio bora, na kuharakisha uvumbuzi unaonufaisha ubinadamu. Tayari tumeshiriki mifano ya awali ya miundo iliyochangia matokeo mapya katika hisabati, ikiwemo kazi kuhusu tatizo la umbali wa kitengo⁠, katika fizikia ya nadharia, kupitia matokeo mapya kuhusu amplitudi za gluoni⁠, na katika biolojia, ambapo GPT‑5 ilisaidia kupunguza gharama ya usanisi wa protini bila seli⁠ katika maabara otomatiki. Pia tulitambulisha GPT‑Rosalind⁠, muundo ulioundwa maalum kusaidia utafiti wa sayansi za maisha na mitiririko ya kazi ya ugunduzi wa dawa. 

Mradi huu unapanua mwelekeo huo hadi katika kemia ya dawa, ambapo maendeleo hayawezi kupimwa kwa uwazaji pekee. Nadharia lazima ifanye kazi katika maabara kwa kutumia molekuli halisi, vifaa, na kelele za majaribio. Kwa kushirikiana na Molecule.one⁠(fungua katika dirisha jipya), Tuliiunganisha GPT‑5.4 na Maria—AI ya kemia yenye uwakala iliyounganishwa na maabara yenye utendaji wa juu kwa ajili ya utafiti unaojiendesha—na kuipa lengo lililo wazi: kuboresha mojawapo ya makundi kadhaa muhimu ya mimenyuko. Mfumo ulizalisha mapendekezo ya utafiti, ukabuni na kuendesha majaribio, ulkachambua data za majaribio, na kupendekeza majaribio ya ufuatiliaji. Binadamu waliendelea kuwa sehemu ya mchakato kwa kubuni madokezo ya uelekezaji na utathmini, na kuchagua mapendekezo ya kuyajaribu. Pia walifanya marekebisho machache kwenye mipango ya majaribio, wakasaidia katika shughuli za msingi za maabara, na kuthibitisha matokeo ya mwisho kwa kujitegemea.

Pendekezo lililoonekana kuwa bora zaidi, OAI-M1-03, lililenga toleo gumu lakini lenye manufaa la uunganishaji wa Chan–Lam, athari ambayo wanakemia hutumia kuunda vifungo vya kaboni-nitrojeni. Kuanzia lengo lisilo na mipaka la kuboresha uunganishaji wa Chan–Lam kwa kemia ya mchakato, GPT‑5.4 ilitambua kwa kujitegemea sulfonamidi za msingi kama darasa la substrati lenye changamoto na thamani kubwa, na ikapendekeza kuwa vioksidishaji laini, ikiwemo TEMPO, vinaweza kuboresha athari hiyo. 

Katika mizunguko miwili ya majaribio katika Maria Lab, wazo hilo lilileta uboreshaji mkubwa. Chini ya masharti yaliyoboreshwa, mavuno yaliyopimwa yaliboreshwa kwa 88% ya asidi za boroniki na 83% ya sulfonamidi zilizojaribiwa. Wastani wa mavuno ulipanda kutoka 16.6% hadi 25.2%, na sehemu ya athari zilizo juu ya mavuno ya 30% ikaongezeka kutoka 15.6% hadi 37.5%. Kisha wanakemia binadamu walirudia athari wakilishi kwa kiwango cha benchi. Majaribio hayo yalithibitisha matokeo ya kiwango cha mikrolita, yakionyesha mavuno ya juu kwa jozi 11 kati ya 14 za substrati, kwa ongezeko la zaidi ya mara mbili katika visa vingi. Hilo ni muhimu kwa sababu wanakemia tiba wanahitaji athari zinazofanya kazi si tu katika majaribio ya uchunguzi ya mikrolita, bali pia katika mitiririko ya kazi ya maabara inayotumika wakati wa ugunduzi wa dawa.

Maboresho katika eneo hili la kemia tiba yanasisimua hasa kwa sababu usanisi mara nyingi ni kikwazo kikubwa katika ugunduzi wa dawa: wanasayansi wanaweza kujaribu tu molekuli wanazoweza kutengeneza au kupata kwa njia nyingine. Kundi la sulfonamidi huonekana katika dawa katika maeneo mengi ya tiba, ikiwemo dawa za saratani, dawa za kuua vijidudu, na diuretiki, ilhali uunganishaji wa Chan–Lam wa sulfonamidi za msingi na asidi za boroniki kihistoria umetoa mavuno ya chini. Kufanya aina hii ya athari iwe ya kutegemewa zaidi kunaweza kuwapa wanakemia tiba njia pana na ya vitendo zaidi ya kuzalisha na kuchunguza molekuli zinazoweza kuwa na manufaa.

Ingawa hili bado ni tokeo la mapema, linatoa mfano mwingine halisi wa mwelekeo mpana tunaoufuatilia: mifumo ya AI inayoweza kuwa washirika wa thamani kwa wanasayansi katika sehemu kubwa ya mzunguko wa utafiti. Muundo ulipitia maandiko ya kisayansi, ukapendekeza wazo lisilotarajiwa, ukasaidia kubuni na kuchambua majaribio, na kufikia ugunduzi wa kisayansi ambao wanakemia binadamu wangeweza kutathmini.

Kemia ya ogani ndiyo msingi wa dawa zote za molekuli ndogo, pamoja na bidhaa katika kilimo, elektroniki, na sayansi ya nyenzo. Athari huwa na manufaa hasa inapoweza kutengeneza aina ileile ya kifungo cha kemikali kwa kutegemewa katika nyenzo nyingi tofauti za kuanzia. Athari zinapotoa mavuno ya chini au bidhaa nyingi zisizotakiwa, wanakemia huenda wakalazimika kuacha molekuli ambazo vinginevyo zina matumaini au kutumia muda mwingi kutengeneza njia tofauti. Hili hufanya usanisi kuwa kikwazo kikubwa katika ugunduzi wa dawa: kwa ujumla wanasayansi wanaweza kujaribu tu molekuli wanazoweza kutengeneza au kupata kwa njia nyingine.

Uunganishaji wa Chan–Lam una manufaa katika kemia tiba kwa sababu huunda vifungo vya kaboni-nitrojeni, ambavyo ni vya kawaida katika dawa. Hata hivyo, athari hiyo haifanyi kazi vizuri kwa usawa kwa kila darasa la molekuli. Hasa, kuunganisha sulfonamidi za msingi na asidi za boroniki kihistoria kumetoa mavuno ya chini. Sulfonamidi ni familia muhimu ya molekuli zinazopatikana katika dawa zinazotumika katika onkolojia na magonjwa ya kuambukiza. Kufanya athari hii iwe ya kutegemewa zaidi kunaweza kuwapa wanakemia tiba njia pana na ya vitendo zaidi ya kuzalisha na kuchunguza molekuli zinazoweza kuwa na manufaa.

Mfumo uliounganishwa uliunganisha uwezo unaokamilishana. Madokeza yaliyoandikwa na wanasayansi waliokuwa wakifanya kazi na Maria AI yalitumiwa na GPT‑5.4 ndani ya mfumo saidizi kuzalisha na kupanga maelfu ya mapendekezo yanayowezekana ya utafiti. Wanakemia binadamu walipitia sehemu ndogo ya mapendekezo yaliyopata nafasi za juu zaidi kulingana na mfumo, na kuchagua manne kwa majaribio ya maabara. Kisha Maria AI ilitafsiri mipango ya kiwango cha juu iliyochaguliwa kuwa maelekezo ya kina ya maabara, ikaendesha maelfu ya majaribio ya utendaji wa juu, ikachambua data ghafi, na kurudisha matokeo yaliyopangwa kwa GPT‑5.4. 

Mojawapo ya mapendekezo manne yaliyochaguliwa, OAI-M1-03, ilipendekeza kutumia vioksidishaji hafifu kama vile TEMPO ili kuboresha ufanisi wa mmenyuko wa Chan-Lam kwa usanisi wa sulfonamide. Wanakemia waliliona pendekezo hilo kuwa la kushangaza na la kuvutia. Tunashiriki matokeo ya kina kutoka OAI-M1-03 katika chapisho hili la blogu na katika karatasi ya utafiti⁠(fungua katika dirisha jipya).

Kisha pendekezo la mwisho la utafiti lilitumiwa na Maria kuzalisha gridi za majaribio, kwa marekebisho madogo kutoka kwa binadamu. Marekebisho makubwa zaidi ya binadamu yalikuwa kuepuka dimethyl sulfoxide, au DMSO, kama kiyeyushi kwa sababu wanakemia walihofia ingeweza kuitikia na vioksidishaji vikali zaidi vilivyotumiwa kama ulinganisho.

Mchakato mzima ulichukua miezi mitatu, kutoka dokeza la kwanza tarehe 4 Machi hadi kushiriki matokeo ya OAI-M1-03 na wataalamu huru tarehe 4 Juni.

Tunaelezea mtiririko huu wa kazi kama karibu kujiendesha, si kujiendesha kikamilifu, kwa sababu wanakemia binadamu bado walifanya maamuzi muhimu katika mchakato wote. Muundo ulipendekeza mawazo muhimu ya utafiti, huku wanakemia binadamu wakitoa uelekezaji na uamuzi wa kiwango cha juu, wakarekebisha maelezo ya majaribio, wakasaidia kuandaa vifaa tumizi na vitendanishi vya maabara, na kurudia majaribio muhimu kwa mikono.

OAI-M1-03 ilitambua TEMPO kama nyongeza yenye manufaa kwa uunganishaji wa Chan-Lam wa sulfonamidi ya msingi uliosomwa hapa. Chini ya masharti yaliyoboreshwa, athari iliboreshwa kwa njia mbili: wastani wa mavuno uliongezeka, na mchanganyiko zaidi wa substrati ulifikia mavuno yenye manufaa ya vitendo.

Katika mizunguko miwili, Maria iliendesha jumla ya athari 10,080 – zaidi ya kile mwanakemia anayeendesha athari tatu kila siku angeendesha katika muongo mmoja. Kiwango hicho kilikuwa muhimu kwa sababu matokeo ya kemia yanaweza kupotosha yanapojaribiwa kwa mifano michache tu. Athari inaweza kuonekana kuwa na matumaini kwa jozi moja ya nyenzo za kuanzia, lakini ishindwe katika seti pana ya molekuli. Maelfu ya athari yaliwezesha kutambua TEMPO kati ya vioksidishaji kumi vilivyojaribiwa, kuona athari ikijirudia katika mchanganyiko mbalimbali, na kupata mipaka yake.

Baada ya kuchambua raundi ya kwanza ya data, mfumo ulipendekeza raundi ya pili ya majaribio iliyolenga zaidi ili kujaribu nadharia tete za ufuatiliaji. Ugunduzi mmoja muhimu wa ufuatiliaji ulikuwa kwamba TEMPO inaweza kubadilishwa na analojia ya bei nafuu zaidi, 4-hydroxy-TEMPO, bila kupoteza sana utendaji.

Matokeo pia yalidumu zaidi ya umbizo la uchunguzi wa kiwango cha mikrolita la Maria Lab. Wanakemia binadamu walizalisha upya kwa mikono athari wakilishi kwa kiwango cha benchi na kuona ongezeko la mavuno kwa jozi 11 kati ya 14 za substrati; kwa jozi nane ongezeko lilikuwa zaidi ya mara mbili. Urudiaji huo ni muhimu kwa sababu majaribio ya kiwango kidogo sana wakati mwingine yanaweza kuanzisha matokeo bandia yanayotoweka katika kiwango kikubwa zaidi. Uthibitishaji wa kiwango cha benchi pia ni desturi kabla ya utafiti kuchapishwa katika jarida la kisayansi.

Wataalamu wanne wa nje wa kemia walipitia preprint inayoelezea OAI-M1-03. Tathmini zao ziliunga mkono mtazamo wetu kwamba matokeo yalikuwa mapya na yanafaa kushirikiwa na jumuiya ya kisayansi. Jaribio lenye nguvu zaidi litakuja baadaye: kama maabara huru zinaweza kuzalisha upya matokeo, na kama wanakemia wataona yanafaa katika aina pana zaidi ya molekuli.

Kati ya mapendekezo mengine matatu yaliyotolewa na GPT‑5.4 na kujaribiwa na Maria katika kipindi cha miezi mitatu, OAI-M1-02 na OAI-M1-04 yalithibitishwa kwa majaribio katika Maria Lab, ilhali OAI-M1-01 yalikanushwa. Uchambuzi wa matokeo haya unaendelea.

Kazi hii inaonyesha kwamba muundo unaweza kutoa mchango wenye manufaa katika kemia ya ogani. Ilifanya zaidi ya kufupisha maandiko ya kisayansi au kupendekeza jaribio la mara moja: ilipendekeza nadharia tete mahususi ya kushangaza na kuiwasilisha kwa ukaguzi wa binadamu, ikabuni majaribio, ikatafsiri data ya majaribio, na kubuni majaribio ya ufuatiliaji.

Haionyeshi kwamba AI inaweza kuendesha kwa kujitegemea programu ya utafiti wa kemia kutoka mwanzo hadi mwisho. Uamuzi wa binadamu uliendelea kuwa muhimu, na mtiririko wa kazi ulitegemea miundombinu maalum ya utendaji wa juu. Pia haithibitishi kwamba mbinu hiyo itatumika kwa jumla katika athari nyingine za uunganishaji, madarasa mengine ya substrati, au masharti ya utengenezaji.

Makadirio ya mavuno yalitoka kwenye jukwaa la utendaji wa juu, na uthibitishaji wa benchi ulihusisha jozi 14 wakilishi za substrati. Kazi zaidi inahitajika kubainisha mekanizimu ya athari, kufafanua wigo wa substrati, kupima utendaji chini ya masharti tofauti ya maabara, na kuzalisha upya matokeo kwa kujitegemea.

Uwezo wa kemia unahitaji kushughulikiwa kwa uangalifu kwa sababu zana zilezile zinazoweza kusaidia dawa na sayansi ya nyenzo pia zinaweza kutumiwa vibaya. Kwa makusudi tuliweka kazi hii ndani ya tatizo halali la kemia tiba: kuboresha athari inayojulikana ya uunganishaji inayotumiwa kutengeneza molekuli zinazofanana na dawa. Majaribio hayakuhusisha sumu, silaha za kemikali, au maombi ya kubuni misombo yenye madhara. Matokeo haya hayapaswi kusomwa kama ushahidi kwamba mfumo unaweza kusaidia katika matumizi hayo yenye madhara. Mradi haukujaribu wala kuonyesha hilo.

Tunatathmini na kupunguza hatari zinazoibuka kutokana na uwezo wa hali ya juu wa muundo kupitia Mfumo wa Maandalizi⁠, ikijumuisha hatari zinazohusiana na nyanja za kemikali na kibaolojia. Muundo uliotumika katika kazi hii ulikuwa tayari umefanyiwa tathmini husika na Taasisi ya Usalama wa AI ya Uingereza, na mfumo ulibuniwa kukataa maombi yanayolenga matumizi yenye madhara. Utaratibu wa kazi wa majaribio uliongeza kiwango kingine cha udhibiti: wanakemia binadamu walichagua mapendekezo yapi yatapelekwa kwenye maabara, wakapitia mipango ya majaribio, na wakaendelea kudhibiti miundombinu halisi.

Tunaamini hii ndiyo njia yenye uwajibikaji ya kuchunguza uwezo wa AI katika kemia ya majaribio: kuchagua eneo la tatizo lenye thamani wazi ya kisayansi, kuoanisha ulinzi wa kiwango cha muundo na usimamizi wa wataalamu, na kutathmini mfumo kupitia majaribio ya kimwili yaliyodhibitiwa. Kadri uwezo huu unavyoboreshwa, tutaendelea kutathmini hatari zinazochipuka, kuimarisha ulinzi, na kuwa mahususi kuhusu kile ambacho matokeo yanaashiria na yasichoashiria.

Hatua za haraka zinazofuata ni za kisayansi: kujaribu aina pana zaidi ya nyenzo za kuanzia, kuchunguza kwa nini viongeza vinaboresha athari, kuchora ramani ya mahali ambapo athari hufanya kazi na hushindwa, na kusaidia urudiaji huru. Kwa pamoja, tafiti hizi zitaamua jinsi mbinu hiyo inavyoweza kutumika kwa upana na jinsi ilivyo na manufaa katika mitiririko ya kazi ya vitendo ya kemia tiba.

Lengo letu la muda mrefu ni kufanya mifumo ya AI iwe washirika wa kisayansi wanaotegemewa wanaosaidia watafiti kuzalisha nadharia tete, kubuni majaribio, kutafsiri matokeo, na kuamua cha kujaribu baadaye, huku ikiendelea kuongozwa na uamuzi wa wataalamu, vipimo vinavyotegemewa, na ulinzi thabiti. Kemia ya ogani ni eneo lenye athari kubwa hasa kwa sababu maendeleo katika ugunduzi na utengenezaji wa molekuli ndogo hutegemea uwezo wa kutengeneza molekuli kwa kutegemewa. Wanasayansi wanaweza kujaribu tu molekuli wanazoweza kutengeneza, na usanisi bora unaweza kupanua wigo wa mawazo wanayoweza kuchunguza katika dawa, kilimo, elektroniki, nishati, na sayansi ya nyenzo. Matokeo haya ni mfano mmoja wa mapema wa mwelekeo huo mpana: muundo wa mstari wa mbele, mawakala maalum, maabara otomatiki, na wanakemia binadamu wakifanya kazi pamoja ili kusonga haraka zaidi katika mzunguko wa utafiti na kutoa ugunduzi ambao jumuiya ya kisayansi inaweza kutathmini, kuzalisha upya, na kuendeleza.

Tunawashukuru timu ya Molecule.one na wanakemia huru waliopitia kazi hii.