L'IA derrière ChatGPT est prête à faire de la chimie

Republié par Platon

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Avec sa rangée de chambres brillantes reliées par des tubes ondulés, la configuration alimentée par l'IA ressemble plus à une brasserie futuriste qu'à un laboratoire de chimie.

Pourtant, lorsque son opérateur humain lui donne l’ordre de « fabriquer de l’aspirine », le système passe à l’action comme une équipe de chimistes bien huilée. Une IA prend le commandement et parcourt le Web pour optimiser une « recette » pour le médicament. Une autre IA traduit les résultats en code et une troisième ordonne aux bras robotiques de réaliser l’expérience.

Le système, appelé Coscientist, est le dernier né d'une initiative visant à automatiser la chimie avec de grands modèles de langage. Type d'algorithme derrière le populaire ChatGPT, les grands modèles de langage ont pris d'assaut le monde avec leur capacité à comprendre les entrées de langage, d'audio et d'image, tout en distribuant des réponses utiles, voire toujours précises.

L’IA fait déjà sensation dans les laboratoires. De la modélisation des structures protéiques – la solution à une énigme vieille d’une demi-décennie – à la recherche de modèles dans les données génétiques et aux « hallucinations » de nouveaux médicaments chimiques tels que antibiotiques, la technologie est prêt à transformer la science.

Coscientist est l’un des premiers du genre. Développé par le Dr Gabe Gomes et ses collègues de l'Université Carnegie Mellon, il apprend de manière autonome des recettes de réactions chimiques et conçoit des procédures de laboratoire pour les réaliser en quelques minutes seulement.

En guise de preuve de concept, le système de bout en bout a réalisé une réaction chimique complexe qui a gagné le prix Nobel de chimie 2010 pour son rôle essentiel dans le développement de médicaments.

"C'est la première fois qu'une intelligence non organique planifie, conçoit et exécute cette réaction complexe inventée par les humains." a affirmé Valérie Plante. Gomes.

Une particularité du système est sa modularité. En divisant les tâches chimiques, Coscientist se comporte comme une équipe de chimistes travaillant en tandem pour trouver une solution, accélérant ainsi l’ensemble du processus de découverte de médicaments.

Coscientist rapproche « la vision des laboratoires autonomes de la réalité » écrit Ana Laura Dias et le Dr Tiago Rodrigues de l'Université de Lisbonne, qui n'ont pas participé aux travaux.

Breaking Bad

La chimie, c'est un peu comme perfectionner une recette.

Cela commence par un objectif : fabriquer un produit chimique avec le moins de déchets possible. Tout comme les cuisiniers surfent sur le Web à la recherche d’idées de recettes, les chimistes fouillent dans la littérature publiée et conçoivent un protocole.

C’est un processus fastidieux. Mis au défi de synthétiser un nouveau produit chimique, les chimistes passent des heures à rechercher des bases de données de molécules et de réactions similaires. Ils ont besoin de plusieurs cycles de recherche, d’expérimentation et de révision avant d’obtenir la molécule souhaitée avec un minimum de déchets.

« Les chimistes ont donc longtemps aspiré à développer des systèmes automatisés pour faciliter leur travail », écrivent Dias et Rodrigues.

Une étape majeure consiste à injecter différents types de produits chimiques en quantités exactes et à des moments précis dans plusieurs « chambres » afin que des réactions distinctes puissent avoir lieu. Normalement, cela se fait à la main, mais des robots désormais abordables peuvent facilement être programmés pour établir de nouvelles interactions chimiques. Ils ne sont cependant pas parfaits. La plupart ne peuvent effectuer qu’une seule réaction.

"Ces limitations ont frustré le rêve" des robots chimistes autonomes, ont écrit Dias et Rodrigues.

C’est ici qu’intervient le GPT-4 d’OpenAI, l’algorithme derrière ChatGPT.

Bonjour, le monde chimique

En comparant une gamme de grands modèles de langage, tels que GPT-4, Claudeet une Falcon, l’équipe a découvert que Coscientist pouvait générer des « recettes » détaillées pour fabriquer les produits chimiques avec des rendements élevés. La nouvelle étude est un processus en trois étapes, enchaînant plusieurs instances affinées de GPT-4 dans un chimiste automatisé.

Le premier est le bibliothécaire IA, qui apprend à partir de diverses sources en ligne. Lorsque l’équipe a suivi ses préférences, elle a découvert que l’IA passait le plus de temps à consulter la littérature des principales revues chimiques. Cette idée est précieuse. Souvent décrits comme une « boîte noire », les grands modèles linguistiques n’expliquent pas toujours comment ils calculent leurs résultats. Le coscientifique, quant à lui, présente son raisonnement comme un chimiste écrivant des notes dans un livre de laboratoire, de sorte que son travail est plus facile à reproduire.

La deuxième IA de Coscientist « lit » les manuels d’utilisation des bras robotiques qui distribuent des réactifs chimiques – comme en lisant une brochure expliquant comment faire fonctionner une nouvelle tondeuse à gazon, l’IA consomme les connaissances nécessaires pour « comprendre » ses instructions.

Enfin, la troisième IA exploite un bras robotique pour synthétiser des produits chimiques. Il dispose également d’un « mode professeur » intégré qui analyse les réactions qui fonctionnent – et celles qui ne fonctionnent pas – afin d’alimenter le système en vue d’un réglage plus précis.

Un effort Nobel

Lors d’un premier test, Coscientist a agi comme une sorte de barman.

Chargée de liquides multicolores, l’IA contrôlait le bras robotique pour pulvériser soigneusement chaque couleur sur une ligne à l’intérieur d’une grille de 96 puits. C'est comme essayer de fabriquer des glaçons multicolores dans un bac à glaçons sans en renverser. Cela a surtout fonctionné. Avec une simple commande « dessiner une diagonale bleue », Coscientist a pu suivre les instructions (avec un peu d’aide humaine).

Pour augmenter la difficulté, l'équipe a ensuite mis le système au défi de synthétiser sept médicaments à succès, dont des analgésiques courants tels que l'aspirine, l'acétaminophène (l'ingrédient actif du Tylenol) et l'ibuprofène.

Coscientist a calculé la quantité de chaque ingrédient nécessaire pour chaque bras robotique et les a mélangés à une vitesse optimale. L’IA a eu du mal la première fois, mais avec de la pratique, elle a appris quand les bras robotiques surchauffaient ou quand les produits chimiques débordaient. Finalement, tel un cuisinier chevronné, l’IA a trouvé une recette parfaite pour le produit souhaité.

L’équipe a également demandé à Coscientist d’optimiser une gamme de réactions chimiques pour augmenter le rendement, un défi chimique notoirement difficile. Avec seulement 10 exemples, le système a mieux fonctionné qu’une méthode d’apprentissage automatique établie. Coscientist a eu du mal lorsque ses composants GPT n’avaient pas suffisamment d’exemples, mais il a rapidement appris. Après chaque itération, elle a acquis des « connaissances » et a adapté sa stratégie pour planifier la prochaine étape au fil du temps.

Pour l’instant, Coscientist est un peu comme un nouvel étudiant en chimie. Il peut lire et analyser les publications actuelles, générer des idées et les tester. Mais il crache aussi parfois des absurdités, une chute qui frappe la plupart des grands modèles linguistiques. Il est donc nécessaire que les chimistes utilisent leur intuition et vérifiez les résultats. Les problèmes chimiques du monde réel sont également beaucoup plus complexes que ceux abordés dans l’étude, notamment dans le domaine de la biologie.

Avec plus de développement, l’équipe considère Coscientist comme une aide. Il peut tester rapidement une gamme de recettes chimiques, et les chimistes peuvent passer une bonne nuit de sommeil pendant que le système robotique fonctionne.

"Nous pouvons avoir quelque chose qui peut fonctionner de manière autonome, en essayant de découvrir de nouveaux phénomènes, de nouvelles réactions, de nouvelles idées", a déclaré Gomes.

Crédit image: Louis Roseau / Unsplash