El costo de la secuenciación del ADN se ha desplomado a un ritmo más rápido que la Ley de Moore, abriendo grandes mercados en el espacio de la secuenciación. Se prevé que la genómica solo para la atención del cáncer alcance los 23 millones de dólares en 2025, pero los costos de preparación de muestras para la secuenciación se han estancado, lo que ha provocado un importante cuello de botella en el espacio.

La preparación de muestras convencional, que convierte el ADN de una muestra de saliva, por ejemplo, en algo que se puede alimentar a una máquina de secuenciación, se basa en un robot de manipulación de líquidos. Es esencialmente un brazo mecánico equipado con puntas de pipeta que mueve muestras líquidas a placas de plástico y otros instrumentos colocados en la plataforma. Estos sistemas involucran múltiples transferencias fluídicas que conducen a una mala utilización de reactivos y muestras, lo que significa menos ADN secuenciado. Además, son sistemas de silos de datos separados que carecen de integración y dependen de consumibles costosos.

A diferencia de la automatización tradicional de manipulación de líquidos, el conjunto de soluciones desarrollado por el spin-off de MIT Media Lab, Volta Labs, proporciona integración de extremo a extremo para una amplia variedad de flujos de trabajo. Es una elegante alternativa a las costosas máquinas de manipulación de líquidos y al pipeteo manual. "Nuestra tecnología es un dispositivo de sobremesa a pequeña escala que es de bajo costo y tiene un uso mínimo de consumibles, lo que permite una composición rápida y flexible de nuevos flujos de trabajo biológicos", dice el cofundador y director de ingeniería de Volta Labs Will Langford SM '14, PhD '19.

La plataforma Volta se basa en la tecnología de microfluidos digitales desarrollada en el MIT por el cofundador de Langford, el CEO de Volta Labs, Udayan Umapathi SM '17. El principio fundamental detrás de la innovación se llama electrohumectación. Permite a sus usuarios manipular gotas alrededor de una placa de circuito impreso para realizar reacciones biológicas, automatizando desde una muestra sin procesar hasta una biblioteca preparada que se puede ejecutar en una máquina de secuenciación.

Umapathi llegó al Media Lab con lo que él describe como "una fascinación por la automatización de edificios desde cero". Aunque se formó como ingeniero, Umapathi ha aplicado sus habilidades a una variedad de campos. En 2015, fundó una startup que creó herramientas web y físicas para permitir la creación de contenido para la fabricación digital. Sin embargo, fue mientras trabajaba para una empresa de biología sintética, que diseñaba sistemas de manejo de líquidos para soluciones de ingeniería del genoma, que identificó la ampliación de la automatización como un punto débil para el campo.

Mientras tanto, Langford pasó sus días en el MIT en el Center for Bits and Atoms, un programa orgullosamente interdisciplinario que explora la frontera entre la informática y la ciencia física. Su investigación se centró en la idea de que la ingeniería podía aprender de la biología. Dicho de otra manera, toda la vida se ensambla a partir de 20 aminoácidos, así que, pensó Langford, ¿por qué no intentar algo similar con la ingeniería?

En la práctica, esto significó que construyó robots integrados a partir de un pequeño conjunto de piezas a escala milimétrica. "En última instancia, estaba tratando de hacer que la ingeniería se pareciera más a la biología", reflexiona. “Veo a Volta como una oportunidad para darle la vuelta a eso y usar la automatización para tratar la biología más como ingeniería. Queremos darles a los biólogos herramientas para manipular líquidos y reacciones biológicas con una granularidad más fina y con más flexibilidad digital ”.

Si bien la plataforma de automatización de Volta simplifica la preparación de muestras al integrar flujos de trabajo complicados, también reduce los costos en el espacio con una nueva construcción de consumibles. Entre la placa de circuito y la placa de muestra hay una capa consumible, que se quita y se reemplaza después de cada ejecución. Los consumibles convencionales son plásticos costosos codificados de forma conductiva o grandes estructuras de microfluidos. Sin embargo, Volta utiliza una película de plástico simple para reducir el costo de los consumibles, lo que abre la puerta a la adopción generalizada de la secuenciación genética.

Todo esto apunta a un modelo más eficiente e inclusivo en el espacio de secuenciación de genes. Gracias a Volta, pronto, no serán solo las grandes empresas de biotecnología con la capacidad de invertir en automatización. Los laboratorios académicos, las instalaciones principales y las pequeñas y medianas empresas de biotecnología no tendrán que preocuparse por si pueden permitirse un costoso robot mecánico. "Lo que me entusiasma es que estamos brindando a las empresas de biotecnología en etapa inicial y de rendimiento medio a bajo con herramientas poderosas que les permitirán competir con jugadores más grandes, lo cual es bueno para la industria en su conjunto", dice. Umapathi.

Y el hecho es que las máquinas de automatización tradicionales utilizadas en el espacio de la biotecnología tienen su propio conjunto de problemas. Son propensos a errores y no se pueden escalar. Considere el secuenciador NovaSeq de Illumina. Es capaz de secuenciar 48 genomas humanos completos en menos de dos días, es decir, 20 mil millones de lecturas únicas, pero actualmente no hay automatización para alimentar esas máquinas a escala. “Para hacer funcionar esas máquinas día tras día, el costo simplemente no tiene sentido, por lo que tenemos que abordar el costo de secuenciación y preparación de muestras”, dice Umapathi.

El sistema de Volta se basa en electrónica de estado sólido, y la startup con sede en Boston busca aprovechar la escalabilidad de la industria de fabricación de semiconductores y la industria de fabricación de PCB. "El objetivo", explica Langford, "es permitir a los biólogos crear un experimento y modificarlo rápidamente, repetirlo y generar los datos necesarios para ver la biología a escala".

Más allá del cuello de botella en la preparación de muestras, eventualmente, el trabajo de Umapathi y Langfordwork afectará una variedad de aplicaciones en la industria de la biología sintética y la industria biofarmacéutica. Los diagnósticos se transformarán, según Umapathi. “Podemos ayudar a la industria de la biología reduciendo el uso de puntas de pipeta en 20 o 50 veces. En flujos de trabajo específicos, podemos eliminar casi por completo este cuello de botella en la cadena de suministro ”, dice.

Para lograr todo esto, para innovar verdaderamente en un campo tan complejo como la biología, Umapathi y Langford insisten en que una perspectiva de sistemas multidisciplinarios es esencial. Es lo que informa el enfoque de Volta para la secuenciación genómica en particular, y la biología en su conjunto. “Volta es un nuevo tipo de empresa de biotecnología”, dice Umapathi. “Es inevitable que más ingenieros y pensadores de sistemas y aquellos que quieran desarrollar herramientas para diseñar mejor la biología se unan a empresas como la nuestra o inicien la suya propia”.

Convertir la biología en un principio de ingeniería no es poca cosa, pero según Umapathi y Langford, es una necesidad.