24-летний ученый из Актау Галымжан Молдагулов полюбил химию еще в школе. В средних классах увлекался органической химией, а в старших – регулярно участвовал в республиканских и международных олимпиадах, где не раз становился призером. Сегодня казахстанец учится на PhD в Ульсанском национальном институте науки и технологий (UNIST) в Южной Корее. Параллельно занимается разработкой ИИ-алгоритмов и автономных роботов, ускоряющих процесс химических открытий. К слову, совсем недавно его статью напечатали в авторитетном научном журнале Nature, где публиковались работы выдающихся ученых Альберта Эйнштейна и Стивена Хокинга.
Специально для Digital Business Галымжан рассказал о том, что умеет один из его роботов, чем именно он помогает ученым и почему ему по силам конкурировать с R&D-отделами фармацевтических гигантов.
«Ищем нестандартные и быстрые пути получения нужных молекул»
– В свободное от учебы время работаю хемоинформатиком (мультидисциплинарный специалист, использующий методы ИТ в химии – прим. Digital Business) в Лаборатории Бартоша Гжибовски при южнокорейском Центре алгоритмического и роботизированного синтеза (CARS). Мы действуем на стыке фундаментальных наук, робототехники и программирования. В частности, проводим исследования на тему автоматизации и прогнозирования сложных химических синтезов. Проще говоря, ищем нестандартные и быстрые пути получения нужных молекул, что значительно ускорит открытие новых жизненно необходимых лекарств и востребованных функциональных материалов.
Последние 2 года бьемся над тем, как избавить ученых от рутины экспериментальной химии. Сейчас она выглядит так: исследователям приходится вручную готовить реактивы, переливать их из колбы в колбу, и тестировать десятки различных комбинаций для синтеза органических веществ. Это долго, дорого и малоэффективно. Кроме того, здесь есть высокий риск человеческой ошибки.
Команда проекта по созданию мини-робота
Мы решили автоматизировать лабораторные процессы с помощью мини-робота, которого сами сконструировали и запатентовали. «Скелет» механизма состоит из доступных каждому микросхем Arduino – небольших плат с собственным процессором и памятью. В научном мире они применяются повсеместно, поскольку дешевые и простые в использовании. Также к Arduino можно подключить и запрограммировать моторы, светодиоды и контроллеры, чтобы робот мог без участия человека проводить опыты.
Наш робот набирает пипеткой реактивы из одной колбы, добавляет их в другие, после чего отправляет полученный раствор в спектрофотометр на изучение. Именно скорость и точность анализа – «узкое горлышко» для многих лабораторий, которое мы преодолели благодаря быстрой оптической оценке количества веществ .
«В этом проекте я – единственный казах»
– Этот успех стал результатом слаженной работы международной команды из 15 человек. В их числе – инженеры, физики, химики и материаловеды. В этом проекте я – единственный казах. Присоединился к команде в 2023 году. Круг моих задач достаточно обширный: от проведения экспериментов до анализа полученных «гиперпространств» реакции.
Мы научили нашего робота раскрывать эти гиперпространства, внутри которых он тестирует в день до тысячи различных комбинаций реагентов и физических условий реакции. Такую производственную мощность могут позволить себе только R&D-отделы больших фармацевтических корпораций, у которых установлено оборудование на миллионы долларов. Для сравнения: наш робот стоит всего $20 тыс.
Мини-робот для автоматизации лабораторных процессов
Получается, что на бюджет, доступный малым научным группам при университетах, можно проводить сложные и дорогостоящие исследования. Список компонентов, схему сборки, исходный код и инструкцию по обслуживанию аппарата выложили в интернет, чтобы любая лаборатория могла воспользоваться изобретением бесплатно.
Кстати, робота назвали Робовски – по аналогии с фамилией нашего научного руководителя Бартоша Гжибовски. Со стороны это может показаться каламбуром, но на самом деле такой жест – проявление уважения и почтения к именитому ученому.
«Наше открытие позволяет сделать производство лекарств чище, быстрее и дешевле»
– Следующий этап в жизни Робовски – практическое применение. Сначала опробовали его на задачах из университетской программы. После – перешли к большой химии и протестировали мультикомпонентные реакции, которые используются в синтезе лекарств.
Нам удалось расшифровать механизм мультикомпонентной реакции Ганча, открытой немецким химиком Артуром Ганчем еще в 1882, и взглянуть на него через призму химического «гиперпространства». Целых 140 лет эта реакция считалась полностью изученной, пока за нее не взялся наш Робовски и не выявил сложную сеть ранее неизвестных процессов. Их понимание дает возможность предсказывать и, более того, контролировать исход реакции.
Например, раньше синтез сопровождался массой ненужных примесей, которые сложно и дорого удалять. Наше открытие позволяет сделать производство лекарств чище, быстрее и дешевле. Это прямой путь к созданию более доступных и качественных медикаментов, в частности, для лечения гипертонии и стенокардии.
«Публикация в Nature – изнурительный научный марафон»
– О своем открытии подробно рассказали в статье, выпущенной в журнале Nature. Это научное издание №1 в мире, с самым высоким уровнем цитируемости, где размещались работы Альберта Эйнштейна и Стивена Хокинга.
Публикация в Nature – изнурительный научный марафон, который стартует задолго до написания текста. В нашем случае все началось с колоссального объема данных, собранных Робовски. Он работал буквально в режиме 24/7 и проводил тысячи экспериментов, на которые у человека ушли бы годы. Затем несколько месяцев робот проводил глубокий анализ собранной информации и проверял ключевые гипотезы.
В марте прошлого года отправили манускрипт статьи и вступили в самую ответственную фазу – «битву» с рецензентами. Это ведущие ученые мира, которые критикуют каждый тезис и цифру. Интеллектуальное испытание длилось более полугода: за это время провели дополнительные эксперименты и разработали новые теоретические модели, чтобы обосновать результаты.
В итоге, объем статьи составил 12 страниц, а сборник всех полученных результатов – 390. После нескольких раундов «битвы» с рецензентами наши материалы все-таки опубликовали.
«После учебы планирую открыть собственную лабораторию»
– Для центра CARS размещение в Nature – знак качества со стороны научной элиты. В этот журнал порой с трудом пробиваются известные ученые из MIT, Harvard, Max Planck Institute и KAIST. И то, не всегда это у них получается, но мы смогли. Мечтаю, чтобы как можно больше казахских ученых рассказывали в Nature о своих достижениях.
Для этого необходимо заниматься передовой наукой на родине. Поэтому после учебы планирую запустить собственную лабораторию в Казахстане, чтобы внедрить культуру «автоматизированного открытия», где рутинную работу делают машины, а ученые занимаются творчеством и глобальными стратегиями. В том числе, в сфере поиска новых лекарств и экологичных материалов.
Над этим сегодня активно работают ученые-инженеры из OpenAI и Google. Я уверен, что Казахстану необходимо участвовать в этой гонке, чтобы не оказаться на обочине технологического мира.