منذ الثورة الصناعية أصبحت الآلات مُعينةً بل بديلةً عن العنصر البشري فيما يتعلق بالإنتاج، خصوصًا من ناحية الكم، وانتشر استخدامها في جميع المجالات، ثم مع ظهور الكهرباء وتطور الأجهزة الكهربائية فالإلكترونية وظهور الحاسوب والبرمجيات، شكل ذلك نقطةً فارقةً في تاريخ الآلات والتكنولوجيا، وبدأ عصر التكنولوجيا الرقميّة.

ازداد تألق التكنولوجيا والأجهزة (الشكل المتطور للآلة) في جميع المجالات، وتحسنت مع ذلك جودة الأعمال والمنتجات التي تفيد البشرية بمختلف فئاتها، وارتقت الحياة البشرية في مجال الصحة والغذاء والتعليم، وخصوصًا في البحث العلمي، فتدخلت التكنولوجيا في جميع المجالات العلمية، مثل التعامل مع البيانات، وظهرت آثار ذلك في المعلوماتية الحيوية والكيمياء الحاسوبية والفيزياء النظرية.

ظهرت آثار التكنولوجيا في الكيمياء بمختلف مجالاتها، وفي مختلف تطبيقاتها، من تحليل المواد إلى تصنيعها، لكن من أعظم آثار التكنولوجيا في مجال الكيمياء، هو تصنيع آلةٍ أو بالأحرى حاسوبٍ يستطيع فعل ما يفعله الكيميائي في معمله، أو بلغةٍ أخرى يستطيع أن يحل محله بنسبة 90% على أقصى تقدير.

ظهور الأجهزة ذاتية العمل (automation) في مجال الكيمياء ليس بجديد، فتوجد أجهزةٌ كيميائيةٌ لا تتطلب إلا وضع العينات بها لتحليل مكوناتها، أما الآن فقد تعدت هذا الأمر إلى تصنيع المركبات بواسطة نظامٍ حاسوبيٍّ خاصٍ وبدون تدخل إنسان، أي بلغة أخرى حاسوبٌ كيميائيٌ آلي، فما قصة هذا الحاسوب؟

صناعة الحاسوب الكيميائي

التصنيع الآلي للمواد الكيميائية ليس بشيءٍ جديد، فهناك آلاتٌ تستطيع صناعة مركبات البيبتيد التي تُكون البروتين، ولكن الجديد في الحاسوب الكيميائي هو الدمج بين المعدات الحاسوبية والبرامج، بحيث تجعل عملية صناعة المركبات العضوية الروتينية الطويلة، بعيدةً عن أيدي الكيميائيين بالكامل، من التحضير إلى تنقية ناتج العملية.

ففي جامعة جلاسكو البريطانية استطاع البروفسير ليروي كرونين (Leroy Cronin) وزملاؤه صناعة حاسوبٍ كيميائيٍّ يتكون من بعض المعدات الكيميائية التقليدية، مع بعض المضخات والصمامات، بالإضافة إلى بعض الأسلاك والكابلات التي توصله بجهاز حاسوبٍ مركزي.

لكن المبهر في الأمر، هو تأسيس ما أطلق عليه كرونين فلسفةً وجوديةً (ontology) لتصنيع المركبات العضوية، حيث (كما يشرح البروفيسور) تُقسِّم تلك الفلسفة عملية تصنيع المركبات العضوية بشكلٍ عامٍ إلى أربع خطواتٍ لا اختلاف عليها وهي: التفاعل (Reaction)، التأسيس (work-up)، العزل (Isolation)، والتنقية (purification). وعلى أساس هذه الخطوات تتم صياغة الحاسوب الكيميائي، وصنع نماذج له حسب عملية التصنيع والمركب المراد صنعه، وتطوير البرامج الخاصة به، بالإضافة إلى جعل الحاسوب الكيميائي تقنيةً عالمية.

وعلى أساس هذه الفكرة المجردة تم تطوير برنامج المؤلف (Chempiler) والذي يعتبر العقل المدبر للجهاز، ويتم من خلاله التحكم في وحدات الجهاز وإرسال إرشادات التصنيع لكل جزءٍ فيها. أولًا تتم كتابة مخطط الجهاز على لغة البرمجة (GraphML)، ثم طور فريق كرونين لغة برمجةٍ كيميائيةٍ لتشفير إجراءات التصنيع الكيميائي، أُطلق عليها التركيب الكيميائي (chemical Assembly) ويسمى اختصارًا (ChASM)، يتم ذلك أولًا بكتابة التعليمات بلغةٍ وصفيةٍ كيميائيةٍ (XDL) طورها فريقٌ في جلاسكو، ثم تحويلها إلى (ChASM) ثم إرسالها إلى برنامج المؤلف الذي يحفز الجهاز لتنفيذ الأمر الذي أُرسل إليه.

كما يتضمن الجهاز تفاصيل بارعة، حيث يشمل بصماتٍ مختلفةً للنظام مع أشكالٍ وأحجامٍ وأنواعٍ مختلفةٍ من الوحدات، مما يجعل الجهاز يعمل بسلاسة، ولكي يتم تحديد الأسطح الفاصلة بين جوانب المذيبات (solvent phases) خلال عملية الفصل بشكلٍ ذاتي، استغل فريق كرونين قياسات التوصيلية الكهربية لإتمام ذلك. بالإضافة إلى ذلك يتضمن الحاسوب الكيميائي أنبوبةً لنقل الأمزجة من و إلى المُبخر الدوار (rotary evaporator) لفصل المذيبات، وقد أدى ذلك إلى تشبث المواد بالأنبوبة، مما جعل علماء جلاسكو بعد ذلك يضيفون حبةً مغناطيسيةً متحركةً (magnetic stirrer bead) لإزالة المواد عن الأنبوبة.

كيفية عمل جهاز الحاسوب الكيميائي

كما هو موضحٌ بالفيديو أعلاه،  يتم أولًا إعداد الجهاز للعملية، حيث يتم غسل وتنظيف المتفاعل (Reactor) بالعديد من المذيبات، ثم تأتي مرحلة التفاعل (reaction) وخلالها يتم مزج المواد في المُتفاعِل، وبعدها مرحلة التشغيل (work-up) فيُضخ الخليط إلى قمع الفصل (separating funnel) فيتم فصل الخليط إلى جانبين، ثم استخلاص الجانب العضوي (organic phase) ونقله إلى المُبخِر الدوار، حينها يتم التخلص من المُذيب وإلقاؤه في حاوية المخلفات الملحقة بالجهاز، ثم تأتي مرحلة الفصل (Isolation) حيث تتم إعادة تذويب ناتج التفاعل ونقله إلى وحدة الترشيح مارًا بالمُتفاعل، وبعدها مرحلة التنقية (purification) حيث تُجرى فلترة الخليط ثم تبريده لتتم عملية ترسيب الناتج المراد الحصول عليه.

إنجازات الحاسوب الكيميائي

بواسطة الحاسوب الكيميائي، استطاع فريق كرونين صناعة ثلاث مركباتٍ عضويةٍ دوائيةٍ، من خلال الأربع خطواتٍ المذكورة سابقًا بدون أدنى تدخلٍ بشري، فقد تم إنتاج النايتول (Nytol) بكميةٍ تصل إلى 58% من الكمية المُتوقع الحصول عليها نظريًا خلال 77 ساعة، وأيضًا تم إنتاج الدواء مضاد التشنج الروفينامايد (rufinamide) بكميةٍ تمثل نسبة 46% من الكمية المُتوقَعة خلال 38 ساعةً مقارنةً بنسبة 38% من خلال التصنيع اليدوي، وذلك بعد الخطوة الثالثة أي بعد مرحلة الفصل. بالإضافة إلى مركب السيلدنافيل (Sildenafil) والمعروف بالفياجرا المنشط الجنسي المشهور وبنسبة 44% خلال 102 ساعة.

ولنأخذ أحد تلك المركبات وهو مضاد التشنج الروفينامايد ولنشرح طريقة تصنيعه، أولاً كما هو موضح بالصورة والفيديو، يتم شحن المفاعل يدويًا بمركب 2،6-ثنائي فلورو بنزيل بروميد (7). ثم إضافة محلولٍ مائيٍّ من أزيد الصوديوم إلى المفاعل، ثم تسخين الخليط إلى 75 درجةً مئويةً لمدة 12 ساعة، ثم نقله بعد ذلك إلى وحدة التصفية. بعدها تتم إضافة ميثيل بروبيولات (methyl propiolate) ويُسخَن إلى 65 درجةً مئويةً لمدة 4 ساعات، ثم تتم إضافة محلولٍ مائيٍّ من الأمونيا، ويتم الحفاظ على الخليط عند 75 درجةً مئويةً لـ 12 ساعةً إضافية، مما يسرع من ترسيب المركب المطلوب. وأدى الترشيح الذي تبعته ثلاث غسلاتٍ مائيةٍ إلى إنتاج روفيناميد نقيٍّ (10) على هيئة مسحوقٍ بلوريٍ أبيض.

الآن يعمل فريق كرونين بالفعل على جعل الحاسوب الكيميائي أسهل في الاستخدام. فهم حاليًا يشاركون نصوص البرمجة الخاصة على موقع «Chemify»، وذلك لتبسيط برمجة XDL باستخدام معالجة اللغات الطبيعية (natural language processing) بحيث يمكن من خلال ضغطة زرٍ واحدةٍ تحويل النصوص التي تحتوي على إجراءات العملية إلى شفرةٍ كيميائيةٍ إلكترونيةٍ يعمل من خلالها الحاسوب تلقائيًا.

إعداد: خالد عاطف رحومة
تدقيق لغوي: هدى بلشقر

المصادر:

1. Chemify [Internet]. [cited 2019 Feb 25]. Available from: http://www.chem.gla.ac.uk/cronin/chemify/
2. Steiner S, Wolf J, Glatzel S, Andreou A, Granda JM, Keenan G, et al. Organic synthesis in a modular robotic system driven by a chemical programming language. Science. 2019 Jan 11;363(6423):eaav2211.
3. Andy Extance3 December 2018. Robotic organic synthesis to make reproducibility simple in chemistry [Internet]. Chemistry World. [cited 2019 Feb 24]. Available from: https://www.chemistryworld.com/news/robotic-organic-synthesis-to-make-reproducibility-simple-in-chemistry/3009843.article
4. Software directs automated synthesis [Internet]. Chemical & Engineering News. [cited 2019 Feb 24]. Available from: https://cen.acs.org/physical-chemistry/computational-chemistry/Software-directs-automated-synthesis/96/web/2018/11