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Autonomes Chemielabor : Der Computer wird zum Chemiker

Das Chemielabor aus Potsdam führt alle Synthesen eigenständig durch. Bedienpersonal ist nicht erforderlich. Bild: MPI für Kolloid- und Grenzflächenforschung, Sourav Chatterjee

Versorgungsengpässe von Arzneimitteln könnten künftig leichter vermieden werden. Forscher aus Potsdam haben ein autonom arbeitendes Chemielabor gebaut, das komplexe organische Moleküle schnell selbst herstellen kann. Die Synthesen steuert ein Computer.

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          In Zeiten der Corona-Krise haben wir auf viele Dinge einen neuen Blick bekommen. Dazu gehört auch die mögliche Fragilität von Lieferketten und die Frage, wie sicher die Versorgung mit lebenswichtigen Medikamenten ist, von denen der Großteil in China und in Indien produziert wird. Tatsächlich haben einige Apotheker schon begonnen, Arzneien wieder selbst zu mischen. Denn sie sind in der glücklichen Lage, die nötigen Grundsubstanzen noch in ausreichenden Mengen vorrätig zu haben.

          Manfred Lindinger

          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          In diesem Zusammenhang gewinnt eine Arbeit von Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Potsdam an Aktualität, die jetzt in der Zeitschrift „Nature“ erschienen ist. Peter Seeberger und seine Kollegen haben ein autonom arbeitendes Chemielabor entwickelt, mit dem man viele organische Substanzen direkt vor Ort produzieren könnte, darunter auch jene, die man zur Herstellung medizinischer Wirkstoffe benötigt. Zwar haben die Forscher das Verfahren bereits zum Patent angemeldet. In der aktuellen Pandemie-Krise wird das Gerät aber wohl noch nicht zum Einsatz kommen können. Dazu bedarf es noch einiger Optimierungen und zahlreicher Tests.

          Auf den ersten Blick erinnert das Labor an einen aufgeräumten Schrank, in dem allerlei chemische Gerätschaften aufbewahrt werden. Wären da nicht die vielen Zuleitungen, die die Kolben, Mischer, chemischen Reaktoren, Analysegeräte, Ventile, Kühler, Öfen und Pumpen miteinander verbinden. Ein Mensch sei zur Bedienung des Labors nicht erforderlich, so die Forscher. Die Kontrolle übernehme ein Computer, der ebenfalls im Schrank sitzt. Er steuert die chemischen Synthesen nach einem festgelegten Programm. Dieses erhält er über das Internet.

          Chemie an der Drehscheibe

          Dadurch muss niemand zur Apparatur kommen, wenn sie einmal läuft. Anders als andere automatisierte Systeme müsse man die Apparatur nicht per Hand umbauen, um etwa Reaktoren auszutauschen, wenn ein anderer Stoff hergestellt werden soll. Es sei nur erforderlich, die veränderten Reaktionsbedingungen, etwa Temperatur und Durchflussgeschwindigkeit, neu zu programmieren.

          Zentrales Element des Potsdamer Labors ist eine Drehscheibe, um die herum mehrere chemische Reaktoren angeordnet sind. In jedem finden spezielle Umsetzungen mit bestimmten Reaktionsgemischen statt. Die Zwischenprodukte, die am Ausgang eines jeden Reaktors wieder an der Drehscheibe einlaufen, werden dann automatisch zum nächsten Reaktor befördert, wo eine weitere Umsetzung mit anderen Reagenzien erfolgt. Am Ende wird das Reaktionsprodukt, nachdem es vom Lösemittel getrennt und einer finalen Reinigung unterzogen wurde, in einem Auffangbehälter gesammelt. Danach erfolgt die Analyse der Chemikalie – ebenfalls vollautomatisch.

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          „Wir können sehr unterschiedliche Reaktionen flexibel miteinander kombinieren, auch schnelle und langsame“, sagt Peter Seeberger. Anders als in gängigen Chemieanlagen mit mehreren hintereinander geschalteten Reaktoren lassen sich hier chemische Umwandlungen, die mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten ablaufen, effizient ausführen. Bei linearen Reaktoranordnungen ist das ein Problem.

          Um die Fähigkeit des autarken Chemieautomaten zu demonstrieren, ließen die Forscher ihn einige komplizierte organische Substanzen produzieren, darunter den Wirkstoff Rufin- amid, der üblicherweise gegen eine schwere Form der Epilepsie eingesetzt wird. Als Ausgangsstoffe dienten unter anderem gängige Stickstoff-Verbindungen wie Ammoniak, verschiedene Amine und Azide. Die ersten Versuche waren vor allem zur Demonstration gedacht.

          Nun wollen die Potsdamer Chemiker die Möglichkeiten des Chemielabors weiter austesten und andere Substanzen herstellen. Die Vision der Forscher: Ihr Automat soll eines Tages Hunderte von Wirkstoffen eigenständig synthetisieren können. Apotheker wären dann in der Lage, vor Ort selbst Medikamente zu produzieren – eine wünschenswerte Option, die auch zukünftig in Krisenzeiten von Nutzen sein könnte.

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