انخفضت تكلفة تسلسل الحمض النووي بمعدل أسرع من قانون مور ، مما فتح أسواقًا كبيرة في مساحة التسلسل. من المتوقع أن يصل علم الجينوم لرعاية مرضى السرطان وحده إلى 23 مليار دولار بحلول عام 2025 ، لكن تكاليف إعداد العينات للتسلسل ظلت راكدة ، مما تسبب في حدوث اختناق كبير في الفضاء.

يعتمد تحضير العينة التقليدي ، وتحويل الحمض النووي من عينة اللعاب ، على سبيل المثال ، إلى شيء يمكن إطعامه إلى آلة التسلسل ، على روبوت للتعامل مع السوائل. إنه في الأساس ذراع ميكانيكي مجهز بأطراف ماصة تنقل عينات السائل إلى ألواح بلاستيكية وأدوات أخرى موضوعة على سطح السفينة. تتضمن هذه الأنظمة عمليات نقل متعددة للسوائل تؤدي إلى سوء استخدام الكواشف والعينات ، مما يعني تقليل تسلسل الحمض النووي. علاوة على ذلك ، فهي أنظمة من صوامع بيانات منفصلة تفتقر إلى التكامل وتعتمد على المواد الاستهلاكية باهظة الثمن.

على عكس أتمتة معالجة السوائل التقليدية ، توفر مجموعة الحلول التي طورتها MIT Media Lab spinoff Volta Labs تكاملاً شاملاً لمجموعة متنوعة من مهام سير العمل. إنه بديل أنيق لآلات معالجة السوائل المكلفة والمصاصة اليدوية. "إن تقنيتنا عبارة عن جهاز صغير الحجم ومنضد ومنخفض التكلفة ولديه أدنى حد من الاستخدام القابل للاستهلاك ، مما يتيح تكوينًا سريعًا ومرنًا لتدفقات العمل البيولوجية الجديدة" ، كما يقول المؤسس المشارك ورئيس قسم الهندسة في Volta Labs Will Langford SM '14 ، دكتوراه '19.

تعتمد منصة فولتا على تقنية الموائع الدقيقة الرقمية التي تم تطويرها في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا من قبل المؤسس المشارك لانغفورد ، الرئيس التنفيذي لشركة Volta Labs Udayan Umapathi SM '17. يسمى المبدأ الأساسي وراء الابتكار بالكهرباء. يسمح لمستخدميه بالتعامل مع القطرات حول لوحة الدوائر المطبوعة لإجراء تفاعلات بيولوجية ، والأتمتة من العينة الخام إلى المكتبة المعدة التي يمكن تشغيلها على آلة التسلسل.

وصل Umapathi إلى Media Lab مع ما وصفه بـ "سحر لبناء الأتمتة من الألف إلى الياء." على الرغم من تدريبه كمهندس ، فقد طبق Umapathi مهاراته في مجموعة متنوعة من المجالات. في عام 2015 ، أسس شركة ناشئة أنشأت أدوات ويب وأدوات مادية لتمكين إنشاء المحتوى للتصنيع الرقمي. ومع ذلك ، أثناء عمله في شركة بيولوجيا تركيبية ، وهندسة أنظمة معالجة السوائل لحلول هندسة الجينوم ، حدد توسيع نطاق الأتمتة باعتباره نقطة ضعف في هذا المجال.

في غضون ذلك ، أمضى لانجفورد أيامه في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا في مركز البت والذرات ، وهو برنامج متعدد التخصصات يفخر باستكشاف الحدود بين علوم الكمبيوتر وعلوم الفيزياء. تركزت أبحاثه على فكرة أن الهندسة يمكن أن تتعلم من علم الأحياء. بعبارة أخرى ، يتم تجميع كل أشكال الحياة من 20 حمضًا أمينيًا ، لذا ، فكر لانجفورد ، لماذا لا نحاول شيئًا مشابهًا للهندسة؟

في الممارسة العملية ، كان هذا يعني أنه بنى روبوتات متكاملة من مجموعة صغيرة من أجزاء بمقياس ميليمتر. "في النهاية ، كنت أحاول أن أجعل الهندسة أقرب إلى علم الأحياء" ، كما يتأمل. "أرى فولتا كفرصة لقلب ذلك رأساً على عقب واستخدام الأتمتة في معالجة علم الأحياء مثل الهندسة. نريد أن نوفر لعلماء الأحياء أدوات للتعامل مع السوائل والتفاعلات البيولوجية بدقة أدق وبمزيد من المرونة الرقمية ".

بينما تعمل منصة الأتمتة في Volta على تبسيط إعداد العينات من خلال دمج تدفقات العمل المعقدة ، فإنها تعمل أيضًا على خفض التكاليف في المساحة باستخدام بنية مستهلكة جديدة. بين لوحة الدائرة ولوحة العينة طبقة مستهلكة ، يتم إزالتها واستبدالها بعد كل عملية تشغيل. المواد الاستهلاكية التقليدية باهظة الثمن ، وهي عبارة عن مواد بلاستيكية مشفرة موصلًا أو هياكل موائع جزيئية كبيرة. ومع ذلك ، يستخدم فولتا فيلمًا بلاستيكيًا بسيطًا لتقليل تكلفة المواد الاستهلاكية ، مما يفتح الباب أمام اعتماد واسع النطاق للتسلسل الجيني.

كل هذا يشير إلى نموذج أكثر كفاءة وشمولية في مساحة تسلسل الجينات. بفضل فولتا ، قريبًا ، لن تكون مجرد شركات التكنولوجيا الحيوية الكبيرة التي لديها القدرة على الاستثمار في الأتمتة. لن تحتاج المعامل الأكاديمية والمرافق الأساسية وشركات التكنولوجيا الحيوية الصغيرة إلى المتوسطة إلى القلق بشأن ما إذا كانت تستطيع تحمل تكلفة روبوت ميكانيكي باهظ الثمن. "الشيء الذي يثير حماستي هو أننا نوفر لشركات التكنولوجيا الحيوية في المراحل المبكرة ومن الإنتاجية المتوسطة إلى المنخفضة أدوات قوية تتيح لها التنافس مع لاعبين أكبر ، وهو أمر جيد للصناعة ككل" ، كما يقول Umapathi.

والحقيقة أن آلات الأتمتة التقليدية المستخدمة في مجال التكنولوجيا الحيوية تأتي مع مجموعة المشاكل الخاصة بها. إنهم معرضون للخطأ ولا يمكنك توسيع نطاقهم. ضع في اعتبارك جهاز التسلسل NovaSeq من Illumina. إنه قادر على تسلسل 48 جينومًا بشريًا كاملاً في أقل من يومين - أي 20 مليار قراءة فريدة - ولكن لا يوجد حاليًا أتمتة لتغذية تلك الآلات على نطاق واسع. يقول أوماباثي: "لتشغيل هذه الآلات يومًا بعد يوم ، فإن التكلفة ببساطة غير منطقية ، ولهذا السبب يتعين علينا معالجة تكلفة التسلسل وعينة الإعداد".

تم بناء نظام فولتا على إلكترونيات الحالة الصلبة ، وتتطلع الشركة الناشئة التي تتخذ من بوسطن مقراً لها إلى الاستفادة من قابلية التوسع في صناعة تصنيع أشباه الموصلات وصناعة تصنيع ثنائي الفينيل متعدد الكلور. يشرح لانغفورد أن "الهدف هو تمكين علماء الأحياء من إنشاء تجربة وتعديلها بسرعة ، والتكرار عليها ، وتوليد البيانات اللازمة لرؤية علم الأحياء على نطاق واسع."

بعيدًا عن عنق الزجاجة لإعداد العينات ، سيؤثر عمل Umapathi و Langfordwork في النهاية على مجموعة متنوعة من التطبيقات في صناعة البيولوجيا التركيبية وصناعة الأدوية الحيوية. سيتم تحويل التشخيص ، وفقًا لأوماباثي. "يمكننا مساعدة صناعة الأحياء من خلال تقليل استخدام رؤوس الماصة بمقدار 20 أو 50 مرة. في تدفقات عمل محددة ، يمكننا القضاء تمامًا تقريبًا على هذا الاختناق في سلسلة التوريد ".

لتحقيق كل هذا ، من أجل الابتكار حقًا في مجال معقد مثل علم الأحياء ، يصر Umapathi و Langford على أن منظور الأنظمة المتعددة التخصصات ضروري. هذا هو ما يُعلم نهج فولتا في التسلسل الجيني على وجه الخصوص ، والبيولوجيا ككل. "فولتا هي نوع جديد من شركات التكنولوجيا الحيوية" ، كما يقول أوماباثي. "من المحتم أن ينضم المزيد من المهندسين ومفكري الأنظمة وأولئك الذين يرغبون في بناء أدوات لهندسة البيولوجيا بشكل أفضل إلى شركات مثل شركاتنا أو يبدأون شركاتهم الخاصة."

إن تحويل علم الأحياء إلى مبدأ هندسي ليس بالأمر الهين ، ولكن وفقًا لأوماباثي ولانغفورد ، فإنه ضرورة.