La tecnologia plug-and-play automatizza la sintesi chimica

I ricercatori hanno sviluppato il sistema di sintesi chimica automatizzato plug-and-play in grado di migliorare ulteriormente la sperimentazione

Il sistema plug-and-play semplifica la produzione chimica di nuove molecole per una miriade di applicazioni.

Progettare una nuova sintesi chimica può essere un processo laborioso con una buona dose di pazienza: miscelare prodotti chimici, misurare le temperature, analizzare i risultati e ricominciare da capo se non funziona. I ricercatori del MIT hanno ora sviluppato un sistema di sintesi chimica automatizzato in grado di eliminare molti degli aspetti più noiosi della sperimentazione.

“Il nostro obiettivo era creare un sistema facile da usare che consentisse agli scienziati di trovare le migliori condizioni per rendere le loro molecole più interessanti da studiare - una piattaforma di sintesi chimica generale con la massima flessibilità possibile”, afferma Timothy F. Jamison,(1) capo del dipartimento di chimica del MIT e uno dei leader del gruppo di ricerca.

Questo sistema potrebbe ridurre la quantità di tempo necessaria per ottimizzare una nuova reazione: da settimane o mesi a un solo giorno. I ricercatori hanno brevettato la tecnologia e sperano che sarà ampiamente utilizzata nei laboratori di chimica accademica e industriale.

“Quando abbiamo deciso di intraprendere questo progetto, volevamo che fosse qualcosa generalmente utilizzabile in laboratorio e non troppo costoso”, dice Klavs F. Jensen,(2) il professore di ingegneria chimica di Warren K. Lewis al MIT, dirigente del gruppo di ricerca, “Volevamo sviluppare una tecnologia che avrebbe reso molto più facile per i chimici sviluppare nuove reazioni”.

L'ex post dottorato del MIT la dottoressa Anne-Catherine Bédard e l'ex ricercatore del MIT il dottor Andrea Adamo sono gli autori principali dello studio pubblicato nell'edizione online di Science del 20 settembre.(3)

Il flusso continuo

Il nuovo sistema utilizza un tipo di sintesi chimica noto come flusso continuo. Con questo approccio, i reagenti chimici fluiscono attraverso una serie di tubi e nuove sostanze chimiche possono essere aggiunte in diversi punti. Altri processi come la separazione possono anche verificarsi mentre le sostanze chimiche fluiscono attraverso il sistema. Al contrario, la tradizionale “batch chemistry” richiede l'esecuzione di ogni fase separatamente e l'intervento umano è necessario per spostare i reagenti lungo il passaggio successivo.

Alcuni anni fa, Jensen e Jamison hanno sviluppato un sistema di flusso continuo in grado di produrre rapidamente prodotti farmaceutici su richiesta.(4) Poi hanno rivolto la loro attenzione a sistemi più piccoli che potrebbero essere utilizzati nei laboratori di ricerca, nella speranza di eliminare gran parte della sperimentazione manuale ripetitiva necessaria per sviluppare un nuovo processo di sintetizzazione di una particolare molecola.

Per ottenere ciò, il team ha progettato un sistema plug-and-play con diversi moduli che possono essere combinati per eseguire diversi tipi di sintesi. Ogni modulo ha le dimensioni di un grande telefono cellulare e può essere inserito in una porta, proprio come i componenti del computer possono essere collegati tramite porte USB. Alcuni moduli eseguono reazioni specifiche, come quelle catalizzate dalla luce o da un catalizzatore solido, mentre altri separano i prodotti desiderati. Nel sistema attuale, cinque di questi componenti possono essere collegati contemporaneamente.

La persona che utilizza la macchina presenta un progetto su come sintetizzare una molecola desiderata e quindi inserisce i moduli necessari. Per iniziare l'utente comunica alla macchina l'elenco delle condizioni di reazione (temperatura, concentrazione di reagenti, portata, ecc.). Nella seconda fase, la macchina utilizza un programma generale di ottimizzazione per esplorare diverse condizioni e per determinare quali condizioni generano la massima resa del prodotto desiderato. Nel frattempo, invece di miscelare manualmente i prodotti chimici e quindi isolare e testare i prodotti, il ricercatore può svolgere altre attività.

“Mentre vengono eseguite le ottimizzazioni, gli utenti potrebbero parlare ai loro colleghi di altre idee, lavorare sui manoscritti e analizzare i dati delle sessioni precedenti. In altre parole, svolgere atte attività con lo scopo di ampliare la ricerca”, dice Jamison.

Test veloci

Nel nuovo studio, i ricercatori hanno creato circa 50 diversi composti organici e ritengono che la tecnologia potrebbe aiutare gli scienziati a progettare e produrre più rapidamente composti per essere testati come potenziali farmaci o altri prodotti utili. Questo sistema dovrebbe anche rendere più facile per i chimici riprodurre le reazioni che altri hanno sviluppato, senza dover rifare ogni fase della sintesi.

I ricercatori stanno ora lavorando a una nuova versione della tecnologia che potrebbe prendere in carico ancora di più il lavoro di progettazione, incluso l'ordine e il tipo di moduli da utilizzare.

La ricerca è stata finanziata dalla Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA).

Riferimenti:

(1) Timothy F. Jamison

(2) Klavs F. Jensen

(3) Reconfigurable system for automated optimization of diverse chemical reactions

(4) Pharmacy on demand

Foto di pixabay.com / Autore: Edoardo Capuano

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