一个由机器人化学家和“合成器农场”组成的美丽新世界正在等待着我们

“化学家是一个奇怪的凡人阶层，他们被一种近乎疯狂的冲动所驱使，在烟雾和蒸汽中，在烟灰和火焰中，在毒药和贫穷中寻找快乐。”

17世纪炼金术士约翰·约阿希姆·贝歇的这句话经常被合成化学家用来表达他们对实际工作的奉献精神和喜悦。尽管自贝歇的时代以来已经发生了很多变化，化学家们仍然花费大量时间来称量固体和测量液体，以制造分子并发现新的反应。“化学仍然是一门对实验要求很高的学科——你需要在实验室里工作才能得到结果，”他说克里斯蒂娜华达他是瑞士苏黎世大学的有机化学家。然而，机器人开始在化学家的游戏中击败他们。自动流动反应器仅在一天内优化反应一项人类化学家可能需要数周甚至数月才能完成的任务。智能系统，比如药物发现机器人Eve结合实验室技能和人工智能来测试和修改给定的假设。

化学家们渴望改变

伊利诺伊大学香槟分校的马丁·伯克

“化学家渴望改变，”他宣称马丁·伯克来自美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校。有建小分子合成器在美国，伯克是接受自动化和机器人技术的科学家之一，这种技术不仅可能使化学家从一些更繁琐的工作中解脱出来，而且可能彻底改变分子的制造方式。伯克和其他人相信，先进的合成机器人最终将完全取代人类实验室工作人员。

投入的时间vs节省的时间

自动化已经在提高小规模合成效率方面发挥了重要作用。Unimate是1961年获得专利的第一台工业机械臂，它的后代现在可以将小瓶和试管转移到分析机器中，或者分配人手无法处理的少量液体。在过去的几十年里，执行更复杂任务的机器，如柱层析，已经变得负担得起和广泛。

然而，自动化多步合成过程就不那么简单了。对于一个单一的反应，液体和固体可能需要加在一起，或者一个接一个，可能需要加热、冷却、过滤、洗涤、提取或蒸发。对于人类化学家来说，每一项单独的任务都是例行公事，但机器很难将所有任务组合在一起。

我们训练人们思考化学，这些技能永远不会被机器取代

彼得·西伯格，马克斯·普朗克胶体与界面研究所

此外，机器对于单个实验室来说仍然非常昂贵，操作它们通常需要很多时间来适应。“自动化必须提供一个简化的工具，这样开始使用它的阻力就不会那么大，”内瓦多评论道。

尽管存在这些障碍，但机器简化的化学合成对科学来说可能是革命性的。“如果没有自动DNA合成，就不会有分子生物学或合成生物学，”他说彼得Seeberger他是德国波茨坦附近的马克斯·普朗克胶体与界面研究所所长。

健壮的反应

寡核苷酸的合成曾经是一个漫长的过程，需要一个庞大的熟练的化学家团队。1965年，哈尔·戈宾德·霍拉纳(Har Gobind Khorana)发表了8篇论文，共400页，首次合成了人工基因。当时的人们认为合成DNA不过是一种学术活动，这也许是正确的。

然而，今天，制造寡核苷酸是一个完全自动化的简单过程。这使得即使是缺乏化学合成技巧的科学家也能制造定制的寡核苷酸DNA纳米技术如基因电路．现在，科学家们正在认真考虑从零开始构建整个基因组——这在几十年前是不可想象的。

两项进展是自动化DNA合成的关键:固相技术的出现，由布鲁斯·梅里菲尔德(Bruce Merrifield)在20世纪60年代用于制造肽以及马文·卡鲁瑟斯(Marvin Caruthers) 1980年的磷酰胺法。卡拉瑟斯意识到，合成的步骤越多，高产量就越重要。他的反应是在不断增长的DNA链上增加一个碱基，通常产量接近100%。

“自动化的关键是稳健可靠的化学反应，”Seeberger说，他一直致力于碳水化合物合成的自动化，这是迄今为止唯一无法全面合成的重要生物聚合物。与DNA和多肽不同，碳水化合物可以分叉，每一个新的连接都会产生一个新的手性碳。区域化学和立体化学都需要仔细控制——许多人认为这是不可能的。

经过近20年的研究，Seeberger的糖合成器以及机器所需的构建模块刚刚上市。最近,这台机器组装了有史以来最长的合成低聚糖．

一刀切

Seeberger说:“我们将需要能够进行至少30到35种制药行业用于制造化合物的可靠转化，未来可能需要更多。”理查德•惠特比他是英国南安普顿大学的教授Dial-a-molecule-一个致力于“合成任何想要的分子就像拨电话一样简单”的研究网络-同意这一观点。新反应和更好的反应都有巨大的发展空间。

大多数化学家没有接受过计算机科学方面的培训，可能会对这些方面感到害怕，也许还有点威胁

Mimi Hii，伦敦帝国理工学院

伯克更进一步，建议集中精力寻找一种可以合成所有分子的通用合成方法。“大多数自动化工作都基于这样一个假设，即每个分子都需要定制的合成路线。这是人们一直在思考的方式——尝试开发可以做出多种不同反应的机器，”伯克说。“我们的想法恰恰相反:让我们试着弄清楚如何用一种反应来制造所有东西。”

Burke的团队将这一想法应用于一个完全以钯催化偶联为中心的小型化合物合成器。该合成器使用了多达4个构建模块和迭代的偶联反应序列，成功制备了14种不同类别的小分子，包括脂肪酸、聚酮、低聚苯乙烯和类固醇。伯克估计，如果有一个更大的积木库——大约5000个——机器可以制造迄今为止已知的26万种小型自然产物的四分之三。

农业化学化合物

研究人员一致认为，自动化的另一个优势是消除了人为错误和不一致——这是一个非常严重的问题，70%的研究人员认为科学面临着巨大的挑战再现性危机．惠特比说:“对我来说，自动化最大的好处并不是节省劳动力，而是它的可重复性和可控性大大提高。”

阿斯利康(AstraZeneca)前化学品开发自动化主管科琳•罗宾逊(Coleen Robinson)表示同意:“我相信，在未来10到15年，人们将更多地关注从自动化系统收集的数据。”获得大量可靠数据将使我们向前迈出一大步。

化学家们将在合成器农场远程进行实际实验

彼得·西伯格，马克斯·普朗克胶体与界面研究所

Seeberger相信，在未来，化学家们将会共享数据，并像其他科学家使用超级计算机一样使用集合设备。“化学家们将在合成器农场远程进行实际实验，在那里工作的唯一人员确保总有足够的试剂和机器正常运行。”他补充说，这将在未来两到三年内成为可能。

但他说，“存在技术和社会方面的挑战”罗斯金来自英国曼彻斯特大学，他领导了机器人化学家伊芙的工作。“大多数化学家都没有接受过计算机科学方面的培训，他们可能会对这些方面感到害怕，也许还有点威胁，”他补充道咪咪Hii他是英国伦敦帝国理工学院的化学家。人们仍在接受手工实验室工作的培训。”

Hii领导着帝国理工学院Dial-a-molecule研究所这将使研究人员能够使用先进的自动化设备进行训练和工作。科学家的反馈将帮助研究所的团队改进设计，并与供应商合作，将下一代机器推向市场。

更好，更快，更强

研究人员一致认为自动化将使他们的工作更有效率。化学家“可以把更多的时间花在设计上，而不是做”，内华达想象道。伯克表示赞同:“它改变了研究生在三到五年时间里可以解决的问题类型。”“它最终会对该领域的工作产生实际的、强大的影响。”

有些人把化学看作一门艺术。我认为这可能是人们接受自动化的一个障碍

瑞秋·格兰杰，阿斯泰克斯制药公司

然而，合成化学家目前对实验室技能的关注也可能使他们在将所有实际工作交给机器人时犹豫不决。“有些人认为化学是一门艺术，人们需要学习和磨练很多技巧，”他说瑞秋格兰杰他是英国剑桥市Astex Pharmaceuticals的博士后研究员。我认为这可能是人们接受自动化的一个障碍。

但自动化程序也可能使它们更容易扩大规模，从学术环境转移到工业环境。格兰杰补充道:“在实验室规模上进行化学实验、创造力和艺术，与需要机器的工艺规模不同。”“人们可能会花大量时间重新优化某人在实验室中完成的反应过程。”

一些科学家相信，最终，实验室将完全由机器人管理。Hii说:“我们的雄心之一是用自动化设备取代实验室里所有的合成化学家，就像我们试图取代汽车里的司机一样。”例如，甚至可以支持太空探索中的无人化学合成。这不会在明天发生，但可能会在未来20到50年发生。

随着机器人在不久的将来使实验室工作被淘汰，化学家们是否应该担心工作安全?泽伯格说，情况恰恰相反。“我们训练人们思考化学，而不是做体力劳动，”他指出。而思考和创造力，这些技能永远不会被机器所取代。