DNA -sekvensoinnin kustannukset ovat romahtaneet nopeammin kuin Mooren laki, mikä avaa suuria markkinoita sekvensointitilaan. Pelkästään syövänhoidon genomiikan ennustetaan saavuttavan 23 miljardia dollaria vuoteen 2025 mennessä, mutta näytteen valmistuskustannukset sekvensoinnista ovat pysähtyneet aiheuttaen merkittävän pullonkaulan tilassa.

Perinteinen näytteenvalmistus, joka muuntaa syljenäytteen DNA: n esimerkiksi sellaiseksi, joka voidaan syöttää sekvensointikoneeseen, perustuu nesteenkäsittelyrobottiin. Se on lähinnä mekaaninen varsi, joka on varustettu pipettikärjillä ja joka siirtää nestenäytteet muovilevyille ja muille kannelle sijoitetuille välineille. Näihin järjestelmiin liittyy useita nesteensiirtoja, mikä johtaa reagenssien ja näytteiden heikkoon käyttöön, mikä tarkoittaa vähemmän DNA -sekvensointia. Lisäksi ne ovat erillisten tietosiilojen järjestelmiä, joissa ei ole integrointia ja jotka ovat riippuvaisia ​​kalliista kulutustarvikkeista.

Toisin kuin perinteinen nesteenkäsittelyautomaatio, MIT Media Labin spinoff Volta Labsin kehittämä ratkaisupaketti tarjoaa kokonaisvaltaisen integroinnin monenlaisiin työnkulkuihin. Se on tyylikäs vaihtoehto kalliille nesteenkäsittelykoneille ja manuaaliselle pipetoinnille. "Teknologiamme on pienikokoinen, pöytätason laite, joka on edullinen ja kuluttaa vähän kulutustarvikkeita, mikä mahdollistaa uusien ja biologisten työnkulkujen nopean ja joustavan kokoonpanon", sanoo Volta Labsin perustaja ja tekniikan johtaja Will Langford SM '14, PhD '19.

Volta-alusta perustuu digitaaliseen mikrofluiditekniikkaan, jonka Mang on kehittänyt Langfordin perustaja, Volta Labsin toimitusjohtaja Udayan Umapathi SM '17. Innovaation perusperiaatetta kutsutaan sähkökosteudeksi. Sen avulla käyttäjät voivat manipuloida pisaroita painetun piirilevyn ympärillä biologisten reaktioiden suorittamiseksi automatisoimalla raakanäytteestä valmiiseen kirjastoon, jota voidaan käyttää sekvensointikoneella.

Umapathi saapui Medialaboratorioon sanomalla, että hän on ”kiehtova rakennusautomaatio alusta alkaen”. Vaikka insinöörinä koulutettu, Umapathi on soveltanut taitojaan monilla aloilla. Vuonna 2015 hän perusti startupin, joka loi verkko- ja fyysisiä työkaluja sisällön luomiseksi digitaaliseen valmistukseen. Kuitenkin työskennellessään synteettisen biologian yrityksessä, joka suunnitteli nesteenkäsittelyjärjestelmiä genomitekniikan ratkaisuja varten, hän tunnisti automaation laajentamisen kentän kipupisteeksi.

Samaan aikaan Langford vietti MIT -päivänsä Bits and Atoms -keskuksessa, ylpeänä monitieteisessä ohjelmassa, joka tutkii tietojenkäsittelytieteen ja fysiikan välistä rajaa. Hänen tutkimuksensa keskittyi ajatukseen, että tekniikka voisi oppia biologiasta. Toisin sanoen koko elämä on koottu 20 aminohaposta, joten Langford ajatteli, miksi et yritä jotain vastaavaa tekniikan avulla?

Käytännössä tämä tarkoitti sitä, että hän rakensi integroidut robotit pienestä millimetrin mittakaavan osasta. "Lopulta yritin tehdä tekniikasta enemmän biologiaa", hän pohtii. ”Näen Voltan mahdollisuutena kääntää se päälaelleen ja käyttää automaatiota biologian käsittelemiseen enemmän kuin tekniikkaa. Haluamme antaa biologille työkaluja nesteiden ja biologisten reaktioiden manipulointiin tarkemmin ja digitaalisesti joustavammin. ”

Vaikka Voltan automaatioalusta yksinkertaistaa näytteen valmistelua integroimalla monimutkaisia ​​työnkulkuja, se alentaa myös tilan kustannuksia uuden kulutushyödykkeen ansiosta. Piirilevyn ja näytelevyn välissä on kulutuskerros, joka poistetaan ja vaihdetaan jokaisen ajon jälkeen. Perinteiset kulutustarvikkeet ovat kalliita, johtavasti koodattuja muoveja tai suuria mikrofluidirakenteita. Volta kuitenkin käyttää yksinkertaista muovikalvoa kulutushyödykkeiden alentamiseksi, mikä avaa oven geenisekvensoinnin laajalle levinneelle käytölle.

Kaikki tämä viittaa tehokkaampaan ja osallistavampaan malliin geenisekvensointiavaruudessa. Voltan ansiosta pian kaikki suuret biotekniikkayritykset eivät kykene investoimaan automaatioon. Akateemisten laboratorioiden, ydinlaitosten ja pienten ja keskisuurten biotekniikkayritysten ei tarvitse huolehtia siitä, onko heillä varaa kalliiseen mekaaniseen robottiin. ”Minua jännittää se, että tarjoamme alkuvaiheen ja keskisuuren tai pienitehoisen biotekniikkayritysten tehokkaita työkaluja, joiden avulla ne voivat kilpailla isompien toimijoiden kanssa, mikä on hyväksi koko teollisuudelle”, sanoo Umapathi.

Tosiasia on, että perinteisissä biotekniikka -alan automaatiokoneissa on omat ongelmansa. Ne ovat alttiita virheille, eikä niitä voi skaalata. Harkitse Illuminan NovaSeq -sekvensseriä. Se pystyy sekvensoimaan 48 koko ihmisen genomia alle kahdessa päivässä - tämä on 20 miljardia ainutlaatuista lukemaa - mutta tällä hetkellä ei ole automaatiota näiden koneiden syöttämiseksi mittakaavassa. "Näiden koneiden käyttämiseksi päivittäin kustannuksissa ei yksinkertaisesti ole järkeä, minkä vuoksi meidän on katettava sekvensoinnin ja näytteen valmistelun kustannukset", Umapathi sanoo.

Voltan järjestelmä perustuu puolijohde-elektroniikkaan, ja Bostonissa toimiva startup haluaa hyödyntää puolijohdeteollisuuden ja PCB-valmistusteollisuuden skaalautuvuutta. "Tavoitteena", selittää Langford, "on mahdollistaa biologien luoda kokeilu ja muokata sitä nopeasti, toistaa sitä ja tuottaa tarvittavat tiedot biologian mittaamiseksi laajassa mittakaavassa."

Näytteen valmistelun pullonkaulan lisäksi Umapathin ja Langfordworkin työ vaikuttaa lopulta synteettisen biologian ja biofarmateollisuuden erilaisiin sovelluksiin. Diagnostiikka muuttuu Umapathin mukaan. ”Voimme auttaa biologiateollisuutta vähentämällä pipettikärkien käyttöä 20 tai 50 kertaa. Tietyissä työnkulkuissa voimme melkein kokonaan poistaa tämän pullonkaulan toimitusketjussa ”, hän sanoo.

Umapathi ja Langford väittävät, että kaiken tämän saavuttamiseksi, innovoimiseksi todella monimutkaisella alalla kuin biologia, Umapathi ja Langford vaativat, että monitieteinen järjestelmänäkökulma on välttämätön. Se kertoo Voltan lähestymistavasta erityisesti genomiseen sekvensointiin ja koko biologiaan. "Volta on uudentyyppinen biotekniikkayritys", Umapathi sanoo. "On väistämätöntä, että enemmän insinöörejä ja järjestelmäajattelijoita ja niitä, jotka haluavat rakentaa työkaluja biologian parantamiseksi, liittyvät meidän kaltaisiin yrityksiin tai perustavat oman."

Biologian muuttaminen tekniikan periaatteeksi ei ole mikään pieni saavutus, mutta Umapathin ja Langfordin mukaan se on välttämätöntä.