Gli scienziati dell’EPFL hanno presentato un sistema di Intelligenza Artificiale che semplifica e automatizza i processi della ricerca scientifica

Applicare le enormi potenzialità dell’Intelligenza Artificiale alla chimica non è semplice. In questo ambito di ricerca i processi sono così complessi che spesso gli strumenti di calcolo più sofisticati vengono lasciati da parte in quanto operabili soltanto da figure estremamente specializzate. E i Large Language Models (LLM) come GPT 4.0 non si rivelano così performanti come in altri contesti.

Ora, però, i ricercatori dell’EPFL hanno sviluppato un’Intelligenza Artificiale che semplifica i processi della ricerca chimica, rendendola più efficiente sia per gli esperti che per i principianti. Si chiama ChemCrow, e integra 18 strumenti avanzati per attività che vanno dalla sintesi organica alla scoperta di nuovi farmaci.

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La chimica e la necessità di superare i molti limiti di GPT-4

Negli ultimi anni, i modelli linguistici di grandi dimensioni (LLM) hanno completamente trasformato alcuni settori di lavoro e ricerca: basti pensare all’introduzione di strumenti come GitHub Copilot o StarCoder, che promettono di rivoluzionare i compiti e le prospettive degli sviluppatori.

In chimica tutto questo non è ancora successo. Al contrario, i LLM hanno spesso difficoltà a svolgere compiti apparentemente semplici come le operazioni chimiche di base. Per esempio, si legge nello studio dell’EPFL pubblicato sulla rivista “Nature Machine Intelligence”, “GPT-4 e GPT-3.5 non sono in grado di moltiplicare in modo coerente e accurato 12.345 × 98.765 o di convertire i nomi IUPAC nel corrispondente grafico molecolare”.

Per ovviare a queste gravi limitazioni, gli scienziati hanno iniziato ad integrare gli LLM con dei plugin esterni appositamente progettati per queste attività, come OPSIN, che consente al modello linguistico di convertire i nomi IUPAC (quelli che indicano il numero di atomi di ciascuna specie) in formule di struttura. Fino ad ora, le carenze intrinseche dei LLM sono state compensate soltanto grazie a strumenti di questo tipo, che ne hanno migliorato le prestazioni e l’applicabilità.

Inoltre, c’è da considerare la complessità di questi strumenti computazionali: sebbene siano per la maggior open-source e accessibili tramite API, la loro integrazione pone notevoli sfide ai chimici sperimentali, che dovrebbero acquisire competenze computazionali sempre più sofisticate e distanti dall’ambito della loro ricerca.

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ChemCrow, l’Intelligenza Artificiale che automatizza la chimica

I livelli di automazione raggiunti in chimica sono relativamente bassi se confrontati con quello che avviene in altri settori. Ciò è dovuto principalmente alla natura altamente sperimentale della disciplina, ma anche alla mancanza di dati e al fatto che gli strumenti computazionali hanno una portata limitata.

Questi “impedimenti” potrebbero però essere superati grazie a ChemCrow, il sistema AI presentato dal gruppo di Philippe Schwaller del Politecnico Federale di Losanna, in Svizzera, che integra 18 strumenti avanzati per attività come la progettazione e la sintesi di farmaci e materiali.

ChemCrow è stato sviluppato da Andres Bran e Oliver Schilter (EPFL, NCCR Catalysis) in collaborazione con Sam Cox e il professor Andrew White (FutureHouse e Università di Rochester).

Si basa su un LLM come GPT-4, che gli scienziati hanno integrato con una suite di strumenti software specializzati già utilizzati in chimica, tra cui WebSearch, LitSearch e vari strumenti molecolari e di reazione per l’analisi chimica.

Con questi strumenti a disposizione, ChemCrow si è dimostrato in grado di pianificare ed eseguire autonomamente sintesi chimiche come la creazione di un repellente per insetti e di vari organocatalizzatori, e persino di assistere nella scoperta di nuovi cromofori, sostanze fondamentali per l’industria dei coloranti.

Inoltre, si legge nel paper, “ChemCrow è in grado di risolvere autonomamente compiti di ragionamento in chimica, che vanno da semplici cicli di scoperta di farmaci alla pianificazione della sintesi di sostanze con un’ampia gamma di complessità molecolari”, il che mostra il suo potenziale come futuro assistente chimico à la ChatGPT.

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Una chimica più semplice e democratica ora e per l’avvenire

Ciò che distingue ChemCrow è la sua capacità di adattare e applicare un processo di ragionamento strutturato alle attività chimiche.

“Il sistema è analogo a un esperto umano con accesso a una calcolatrice e a banche dati che non solo migliorano l’efficienza dell’esperto, ma lo rendono anche più concreto, nel caso di ChemCrow, riducendo le allucinazioni“, spiega Andres Camilo Marulanda Bran, primo autore dello studio.

ChemCrow riceve una richiesta dall’utente, pianifica in anticipo come risolvere il compito, seleziona gli strumenti pertinenti e perfeziona iterativamente la sua strategia in base ai risultati di ogni fase.

Questo approccio metodico assicura che il sistema non si basi soltanto sulla teoria, ma anche sull’applicazione pratica per l’interazione nel mondo reale con gli ambienti di laboratorio.

Democratizzando l’accesso alle conoscenze e ai processi chimici complessi, ChemCrow abbassa la barriera d’ingresso per i non esperti, aumentando al contempo il kit di strumenti a disposizione dei chimici veterani. Ciò può accelerare la ricerca e lo sviluppo in campo farmaceutico, nella scienza dei materiali e in altri ambiti, rendendo il processo più efficiente e sicuro.

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