Niedługo w szpitalach mogą stanąć inteligentne automaty wytwarzające od ręki tanie leki dla konkretnego pacjenta. Od razu w potrzebnej dawce
Marzenie o uniwersalnej formule, która pozwoli wytworzyć każdą pożądaną substancję, zrodziło się na świecie na długo przed pojawieniem się pierwszego chemika. To za jego sprawą przez stulecia największą ambicją alchemików było wynalezienie tzw. kamienia filozoficznego – substancji, która pozwalałaby zamieniać każdy nieszlachetny metal w złoto.
To, co dzieje się w nowoczesnej chemii, coraz częściej korzystającej z technologii cyfrowych, chwilami wygląda jak powrót do pracowni Cagliostra – tyle że w nowych, inteligentnych dekoracjach. Miejsce dawnych retort alchemicznych zajęły dziś urządzenia wielkości niewielkich lodówek, zdolne wytwarzać potrzebne substancje bez udziału człowieka; wystarczy je tylko zaprogramować. W laboratoriach biochemicznych służą do produkcji białek lub syntezy DNA. Ponieważ są zbudowane z kilku określonych związków (białka z kilkunastu aminokwasów, DNA ze szkieletu fosforanu i dezoksyrybozy oraz czterech zasad azotowych), to dość proste zadanie, które sprowadza się do układania kilku lub kilkunastu chemicznych elementów w określonej kolejności.
Wybredne atomy i sztuczna inteligencja
Sęk w tym, że większość związków chemicznych, w tym leków, to znacznie mniejsze i prostsze cząsteczki. Składają się z kilkunastu, rzadziej kilkudziesięciu atomów węgla, wodoru, czasem też azotu lub innego pierwiastka. Nie przypomina to wcale zgrabnej układanki, w której wszystko do siebie idealnie pasuje. Kilkanaście atomów można już bowiem połączyć ze sobą na wiele miliardów sposobów.
Dzięki sztucznej inteligencji chemicy mogą już korzystać z „krzemowych kolegów”, którzy stale się uczą, nie zapominają i nigdy nie przejdą na emeryturę
Co gorsza, atomy są raczej wybredne. Nie każdy chętnie łączy się z każdym. Jedne reakcje zachodzą łatwo, inne trudniej, jeszcze inne wymagają nadzwyczajnych okoliczności – takiej a nie innej temperatury czy ciśnienia. To wszystko sprawia, że zaprojektowanie procesu prowadzącego do uzyskania konkretnego związku chemicznego z prostych, ogólnodostępnych związków bywa piekielnie skomplikowane.
I tu na scenę wkraczają komputery. W modelowaniu nowych związków i ich właściwości oraz reakcji chemicznych stały się dziś nieodzowne.
Człowiek nie jest już niezbędny
Zespół Instytutu Chemii Organicznej PAN pod kierunkiem Bartosza Grzybowskiego pracował nad tym przez dekadę: w 2012 roku stworzył oprogramowanie wykorzystujące dwa i pół stulecia wiedzy naukowej z zakresu chemii i bazę danych do przewidywania metod syntezy związków organicznych. Dzieło naukowców, nazwane Chematica, ułatwia chemikom wyprodukowanie tego, co potrzebują. W ubiegłym zaś roku badacze z IChO PAN dowiedli, że program może projektować sposoby syntetyzowania związków chemicznych bez udziału człowieka. W specjalnym eksperymencie program stworzył osiem sposobów na wyprodukowanie cennych lub potrzebnych w medycynie związków.
W każdym z tych przypadków program poprawił znane już szlaki syntezy albo wręcz znalazł takie, których nie udawało się dotąd wytyczyć. W opublikowanej w „Cell Press” pracy badacze napisali, że chemicy mogą już korzystać z „krzemowych kolegów”, którzy stale się uczą, nie zapominają i nigdy nie przejdą na emeryturę.
Od programu do maszyny
Ale oprogramowanie, które projektuje procesy, to tylko pierwszy krok do stworzenia urządzenia zdolnego produkować to, czego potrzebujemy. Trzeba jeszcze zautomatyzować procesy chemiczne.
W wydaniu tygodnika „Science” z 9 sierpnia naukowcy z Massachusetts Institute of Technology publikują pracę, w której donoszą o postępach w tej dziedzinie. Stworzyli własny oparty na sztucznej inteligencji system, który robi to, co polska Chematica, czyli wykrywa najlepsze drogi syntezy w oparciu o dostępne zasoby wiedzy. Dodatkowo naukowcom z MIT udało się zintegrować sztuczną inteligencję z robotyką.
W ich rozwiązaniu oprogramowanie sterowane przez sztuczną inteligencję sugeruje procesy prowadzące do pożądanego związku, ale to człowiek je ocenia i na tej podstawie tworzy szczegółowy przepis. Ten wysyłany jest do zautomatyzowanego minilaboratorium wyposażonego w robotyczne ramię, które przeprowadza odpowiednie reakcje. Cały zestaw ma dwa metry sześcienne objętości, czyli odpowiada wielkości leżącej lodówki).
Badacze przetestowali urządzenie, tworząc za jego pomocą 15 różnych związków chemicznych, co zabierało od dwóch do kilkudziesięciu godzin, w zależności od złożoności molekuły. Maszynowo wyprodukowali aspirynę, cztery inne niesterydowe leki przeciwzapalne, seknidazol (antybiotyk), lidokainę (o miejscowym działaniu znieczulającym), diazepam (lek uspokajający i przeciwlękowy), warfarynę (zmniejszającą krzepliwość krwi), safinamid (stosowany w leczeniu choroby Parkinsona) oraz kilka inhibitorów konwertazy angiotensyny (stosowanych w leczeniu nadciśnienia i niewydolności serca).
Czy uda się wyeliminować z tego procesu człowieka? Badacze z MIT już nad tym pracują.
Fabryka leków w każdej wsi?
Dziś znakomita większość leków powstaje w dużych fabrykach i opiera się na długim łańcuchu dostaw. Najpierw w zakładach chemicznych powstają półprodukty, potem (czasem po kilku etapach przetwarzania w bardziej złożone substancje) trafiają one do zakładów farmaceutycznych, gdzie powstaje z nich pożądany lek. Stamtąd rozwożone są do hurtowni, a na końcu, czasem po bardzo długiej drodze, trafiają do aptek i szpitali.
W Afryce produkuje się mniej niż 2 procent leków wykorzystywanych na tym kontynencie. Tymczasem firmom farmaceutycznym często nie opłaca się sprzedawać swoich produktów w krajach biednych
Wiele czynników może sprawić, że łańcuch produkcji i dostaw gdzieś zostanie przerwany, a pacjenci pozbawieni leków. Koszty transportu (zwłaszcza lotniczego) stanowią sporą część ich ceny. Czasem firmy farmaceutyczne dochodzą do wniosku, że produkcja jest nieopłacalna, i z niej rezygnują, pozostawiając chorych i szpitale własnemu losowi. Czasem zaś podnoszą ceny do granicy zasobności portfeli pacjentów czy szpitalnych budżetów. Z obu tych powodów w USA szpitale tworzą konsorcja, które mają produkować niektóre leki generyczne.
ONZ podaje, że w Afryce produkuje się mniej niż 2 procent leków wykorzystywanych na tym kontynencie. Tymczasem firmom farmaceutycznym często nie opłaca się sprzedawać swoich produktów w krajach biednych, i tak niewielu byłoby na nie stać. Szczęśliwie część farmaceutyków w krajach rozwijających się dostępna jest dzięki specjalnym programom, sponsorom lub fundacjom.
Powiew zdrowej rewolucji
Urządzenie do produkcji leków z łatwo dostępnych składników na miejscu wszystkie te problemy zlikwiduje. Ma też dodatkową zaletę: lek można wyprodukować w pożądanej dawce, a nie polegać na dawkach standardowo oferowanych przez producenta.
Automat do syntezy leków w każdym szpitalu będzie rewolucją. Maszyny wspierane sztuczną inteligencją zmienią życie setek milionów ludzi na świecie.