Το κόστος της αλληλουχίας DNA έχει καταρρεύσει ταχύτερα από τον νόμο του Moore, ανοίγοντας μεγάλες αγορές στο χώρο αλληλουχίας. Η γονιδιωματική μόνο για τη φροντίδα του καρκίνου προβλέπεται να φτάσει τα 23 δισεκατομμύρια δολάρια μέχρι το 2025, αλλά το κόστος προετοιμασίας του δείγματος για την αλληλουχία έχει μείνει στάσιμο, προκαλώντας μια σημαντική συμφόρηση στο χώρο.

Η συμβατική προετοιμασία δείγματος, η μετατροπή του DNA από ένα δείγμα σάλιου, για παράδειγμα, σε κάτι που μπορεί να τροφοδοτηθεί σε μια μηχανή προσδιορισμού αλληλουχίας, βασίζεται σε ένα ρομπότ χειρισμού υγρών. Πρόκειται ουσιαστικά για έναν μηχανικό βραχίονα εξοπλισμένο με άκρες πιπέτας που μεταφέρει δείγματα υγρών σε πλαστικές πλάκες και άλλα όργανα τοποθετημένα στο κατάστρωμα. Αυτά τα συστήματα περιλαμβάνουν πολλαπλές ρευστές μεταφορές που οδηγούν σε κακή χρήση αντιδραστηρίων και δειγμάτων, πράγμα που σημαίνει λιγότερη αλληλουχία DNA. Επιπλέον, είναι συστήματα ξεχωριστών σιλό δεδομένων που στερούνται ενσωμάτωσης και βασίζονται σε ακριβά αναλώσιμα.

Σε αντίθεση με τον παραδοσιακό αυτοματισμό χειρισμού υγρών, η σουίτα λύσεων που αναπτύχθηκε από το MIT Media Lab spinoff Volta Labs παρέχει ολοκληρωμένη ολοκλήρωση για μεγάλη ποικιλία ροών εργασίας. Είναι μια κομψή εναλλακτική λύση έναντι των δαπανηρών μηχανημάτων χειρισμού υγρών και των χειροκίνητων πιπετών. «Η τεχνολογία μας είναι μια συσκευή μικρής κλίμακας, πάγκου χαμηλού κόστους και έχει ελάχιστη αναλώσιμη χρήση, επιτρέποντας γρήγορη και ευέλικτη σύνθεση νέων βιολογικών ροών εργασίας», λέει ο συνιδρυτής της Volta Labs και επικεφαλής μηχανικής Will Langford SM '14, PhD '19.

Η πλατφόρμα Volta βασίζεται στην ψηφιακή μικρορευστολογική τεχνολογία που αναπτύχθηκε στο MIT από τον συνιδρυτή του Langford, CEO της Volta Labs, Udayan Umapathi SM '17. Η βασική αρχή πίσω από την καινοτομία ονομάζεται ηλεκτροβύθιση. Επιτρέπει στους χρήστες του να χειρίζονται σταγονίδια γύρω από μια πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος για να πραγματοποιούν βιολογικές αντιδράσεις, αυτοματοποιώντας από ακατέργαστο δείγμα σε έτοιμη βιβλιοθήκη που μπορεί να εκτελεστεί σε μηχανή αλληλουχίας.

Ο Ουμαπάθι έφτασε στο Media Lab με αυτό που περιγράφει ως «γοητευτικό για την αυτοματοποίηση κατασκευής από την αρχή». Αν και εκπαιδευμένος ως μηχανικός, ο Umapathi έχει εφαρμόσει τις ικανότητές του σε διάφορους τομείς. Το 2015, ίδρυσε μια startup που δημιούργησε ιστό και φυσικά εργαλεία για να επιτρέψει τη δημιουργία περιεχομένου για ψηφιακή παραγωγή. Ωστόσο, ενώ εργαζόταν για μια εταιρεία συνθετικής βιολογίας, που σχεδίαζε συστήματα διαχείρισης υγρών για λύσεις μηχανικής γονιδιώματος, εντόπισε την κλιμάκωση της αυτοματοποίησης ως σημείο πόνου για τον τομέα.

Εν τω μεταξύ, ο Λάνγκφορντ πέρασε τις ημέρες του MIT στο Κέντρο για Bits and Atoms, ένα υπερήφανα διεπιστημονικό πρόγραμμα που διερευνά το όριο μεταξύ επιστήμης υπολογιστών και φυσικής επιστήμης. Η έρευνά του επικεντρώθηκε στην ιδέα ότι η μηχανική θα μπορούσε να μάθει από τη βιολογία. Με άλλα λόγια, όλη η ζωή συγκεντρώνεται από 20 αμινοξέα, οπότε, σκέφτηκε ο Λάνγκφορντ, γιατί να μην επιχειρήσουμε κάτι παρόμοιο με τη μηχανική;

Στην πράξη, αυτό σήμαινε ότι κατασκεύασε ενσωματωμένα ρομπότ από ένα μικρό σύνολο εξαρτημάτων κλίμακας χιλιοστού. «Τελικά, προσπαθούσα να κάνω τη μηχανική περισσότερο σαν τη βιολογία», αντικατοπτρίζει. «Βλέπω το Volta ως μια ευκαιρία να το ανατρέψω και να χρησιμοποιήσω τον αυτοματισμό για να αντιμετωπίσω τη βιολογία περισσότερο σαν μηχανική. Θέλουμε να δώσουμε στους βιολόγους εργαλεία για να χειρίζονται τα υγρά και τις βιολογικές αντιδράσεις με λεπτότερη λεπτομέρεια και με μεγαλύτερη ψηφιακή ευελιξία ».

Ενώ η πλατφόρμα αυτοματισμού της Volta απλοποιεί την προετοιμασία δείγματος ενσωματώνοντας περίπλοκες ροές εργασίας, μειώνει επίσης το κόστος στο χώρο με μια νέα αναλώσιμη κατασκευή. Μεταξύ της πλακέτας κυκλώματος και της πλακέτας δείγματος υπάρχει ένα αναλώσιμο στρώμα, το οποίο αφαιρείται και αντικαθίσταται μετά από κάθε λειτουργία. Τα συμβατικά αναλώσιμα είναι ακριβά, πλαστικά με αγώγιμη κωδικοποίηση ή μεγάλες μικρορευστές δομές. Ο Volta, ωστόσο, χρησιμοποιεί μια απλή πλαστική μεμβράνη για να μειώσει το κόστος των αναλωσίμων, η οποία ανοίγει την πόρτα για την ευρεία υιοθέτηση της αλληλουχίας γονιδίων.

Όλα αυτά δείχνουν ένα πιο αποτελεσματικό και ενσωματωμένο μοντέλο στο χώρο της αλληλουχίας γονιδίων. Χάρη στη Volta, σύντομα, δεν θα είναι μόνο μεγάλες εταιρείες βιοτεχνολογίας με δυνατότητα επένδυσης στον αυτοματισμό. Τα ακαδημαϊκά εργαστήρια, οι βασικές εγκαταστάσεις και οι μικρομεσαίες εταιρείες βιοτεχνολογίας δεν χρειάζεται να ανησυχούν για το αν μπορούν να αντέξουν οικονομικά ένα ακριβό μηχανικό ρομπότ. «Αυτό που με ενθουσιάζει είναι ότι παρέχουμε σε εταιρείες βιοτεχνολογίας πρώιμου σταδίου και μέσης έως χαμηλής απόδοσης με ισχυρά εργαλεία που θα τους επιτρέψουν να ανταγωνιστούν μεγαλύτερους παίκτες, κάτι που είναι καλό για τη βιομηχανία στο σύνολό της», λέει Ουμαπάθι.

Και το γεγονός είναι ότι οι παραδοσιακές μηχανές αυτοματισμού που χρησιμοποιούνται στον χώρο της βιοτεχνολογίας έχουν τα δικά τους προβλήματα. Είναι επιρρεπή σε σφάλματα και δεν μπορείτε να τα κλιμακώσετε. Εξετάστε το sequencer του Illumina NovaSeq. Είναι ικανό να προσδιορίσει την αλληλουχία 48 ολόκληρων ανθρώπινων γονιδιωμάτων σε λιγότερο από δύο ημέρες - αυτό είναι 20 δισεκατομμύρια μοναδικά αναγνώσματα - αλλά προς το παρόν δεν υπάρχει αυτοματοποίηση για την τροφοδοσία αυτών των μηχανών σε κλίμακα. "Για να λειτουργήσουμε αυτές τις μηχανές μέρα με τη μέρα, το κόστος απλά δεν έχει νόημα, γι 'αυτό πρέπει να αντιμετωπίσουμε το κόστος της αλληλουχίας και της προετοιμασίας του δείγματος", λέει ο Umapathi.

Το σύστημα της Volta βασίζεται σε ηλεκτρονικά στερεάς κατάστασης και η νεοσύστατη εταιρεία που εδρεύει στη Βοστώνη προσπαθεί να αξιοποιήσει την επεκτασιμότητα της βιομηχανίας κατασκευής ημιαγωγών και της βιομηχανίας κατασκευής PCB. «Ο στόχος», εξηγεί ο Λάνγκφορντ, «είναι να δώσουμε τη δυνατότητα στους βιολόγους να δημιουργήσουν ένα πείραμα και να το τροποποιήσουν γρήγορα, να το επαναλάβουν και να δημιουργήσουν τα απαραίτητα δεδομένα για να δουν τη βιολογία σε κλίμακα».

Πέρα από τη συμφόρηση προετοιμασίας δείγματος, τελικά, το έργο των Umapathi και Langfordwork θα επηρεάσει μια ποικιλία εφαρμογών στη βιομηχανία συνθετικής βιολογίας και τη βιομηχανία βιοφαρμάκων. Σύμφωνα με τον Umapathi, τα διαγνωστικά θα αλλάξουν. «Μπορούμε να βοηθήσουμε τη βιομηχανία βιολογίας μειώνοντας τη χρήση των άκρων πιπέτας κατά 20 ή 50 φορές. Σε συγκεκριμένες ροές εργασίας, μπορούμε σχεδόν να εξαλείψουμε αυτό το εμπόδιο στην αλυσίδα εφοδιασμού », λέει.

Για να επιτευχθούν όλα αυτά, για να γίνουν πραγματικά καινοτομίες σε έναν τόσο σύνθετο τομέα όπως η βιολογία, οι Ουμαπάθι και Λάνγκφορντ επιμένουν ότι η προοπτική των πολυεπιστημονικών συστημάτων είναι απαραίτητη. Είναι αυτό που ενημερώνει την προσέγγιση Volta συγκεκριμένα για τη γονιδιωματική αλληλουχία, και τη βιολογία στο σύνολό της. "Η Volta είναι ένας νέος τύπος εταιρείας βιοτεχνολογίας", λέει ο Umapathi. «Είναι αναπόφευκτο ότι περισσότεροι μηχανικοί και στοχαστές συστημάτων και όσοι θέλουν να δημιουργήσουν εργαλεία για να κατασκευάσουν καλύτερα τη βιολογία, θα ενταχθούν σε εταιρείες όπως η δική μας ή θα δημιουργήσουν τη δική τους.»

Η μετατροπή της βιολογίας σε αρχή μηχανικής δεν είναι μικρό επίτευγμα, αλλά σύμφωνα με τους Ουμαπάθι και Λάνγκφορντ, είναι μια αναγκαιότητα.