Le coût du séquençage de l'ADN a chuté à un rythme plus rapide que la loi de Moore, ouvrant de grands marchés dans l'espace de séquençage. La génomique pour les soins contre le cancer à elle seule devrait atteindre 23 milliards de dollars d'ici 2025, mais les coûts de préparation des échantillons pour le séquençage ont stagné, provoquant un goulot d'étranglement important dans l'espace.

La préparation conventionnelle des échantillons, la conversion de l'ADN d'un échantillon de salive, par exemple, en quelque chose qui peut être introduit dans une machine de séquençage, repose sur un robot de manipulation de liquide. Il s'agit essentiellement d'un bras mécanique équipé d'embouts de pipette qui déplace les échantillons liquides vers des plaques en plastique et d'autres instruments placés sur le pont. Ces systèmes impliquent de multiples transferts fluidiques qui conduisent à une mauvaise utilisation des réactifs et des échantillons, ce qui signifie moins d'ADN séquencé. De plus, ce sont des systèmes de silos de données séparés qui manquent d'intégration et reposent sur des consommables coûteux.

Contrairement à l'automatisation traditionnelle de la gestion des liquides, la suite de solutions développée par Volta Labs, spin-off du MIT Media Lab, offre une intégration de bout en bout pour une grande variété de flux de travail. C'est une alternative élégante aux coûteuses machines de manipulation de liquides et au pipetage manuel. "Notre technologie est un appareil de paillasse à petite échelle qui est peu coûteux et a une utilisation minimale des consommables, permettant une composition rapide et flexible de nouveaux flux de travail biologiques", a déclaré le co-fondateur et directeur de l'ingénierie de Volta Labs, Will Langford SM '14, PhD '19.

La plate-forme Volta est basée sur la technologie microfluidique numérique développée au MIT par le co-fondateur de Langford, le PDG de Volta Labs, Udayan Umapathi SM '17. Le principe de base de l'innovation s'appelle l'électromouillage. Il permet à ses utilisateurs de manipuler des gouttelettes autour d'une carte de circuit imprimé pour effectuer des réactions biologiques, en automatisant de l'échantillon brut à la bibliothèque préparée qui peut être exécutée sur une machine de séquençage.

Umapathi est arrivé au Media Lab avec ce qu'il décrit comme "une fascination pour l'automatisation des bâtiments à partir de zéro". Bien que formé en tant qu'ingénieur, Umapathi a appliqué ses compétences à une variété de domaines. En 2015, il a fondé une startup qui a créé des outils Web et physiques pour permettre la création de contenu pour la fabrication numérique. Cependant, c'est alors qu'il travaillait pour une entreprise de biologie synthétique, qui concevait des systèmes de manipulation de liquides pour des solutions d'ingénierie du génome, qu'il a identifié l'intensification de l'automatisation comme un problème pour le domaine.

Pendant ce temps, Langford a passé ses journées au MIT au Center for Bits and Atoms, un programme fièrement interdisciplinaire qui explore la frontière entre l'informatique et les sciences physiques. Ses recherches étaient centrées sur l'idée que l'ingénierie pouvait apprendre de la biologie. En d'autres termes, toute la vie est assemblée à partir de 20 acides aminés, alors, pensa Langford, pourquoi ne pas tenter quelque chose de similaire avec l'ingénierie ?

En pratique, cela signifiait qu'il construisait des robots intégrés à partir d'un petit ensemble de pièces à l'échelle millimétrique. « En fin de compte, j'essayais de faire en sorte que l'ingénierie ressemble davantage à de la biologie », se souvient-il. «Je vois Volta comme une opportunité de renverser cela et d'utiliser l'automatisation pour traiter la biologie davantage comme de l'ingénierie. Nous voulons donner aux biologistes des outils pour manipuler les liquides et les réactions biologiques à une granularité plus fine et avec plus de flexibilité numérique. »

Alors que la plate-forme d'automatisation de Volta simplifie la préparation des échantillons en intégrant des flux de travail complexes, elle réduit également les coûts dans l'espace avec une nouvelle construction de consommables. Entre la carte de circuit imprimé et la carte d'échantillonnage se trouve une couche de consommables, qui est retirée et remplacée après chaque analyse. Les consommables conventionnels sont des plastiques coûteux, codés par conduction ou de grandes structures microfluidiques. Volta, cependant, utilise un simple film plastique pour réduire le coût des consommables, ce qui ouvre la porte à l'adoption généralisée du séquençage des gènes.

Tout cela pointe vers un modèle plus efficace et plus inclusif dans l'espace de séquençage des gènes. Grâce à Volta, il n'y aura bientôt plus que de grandes entreprises de biotechnologie capables d'investir dans l'automatisation. Les laboratoires universitaires, les installations de base et les petites et moyennes entreprises de biotechnologie n'auront pas à se soucier de savoir s'ils peuvent se permettre un robot mécanique coûteux. « Ce qui m'enthousiasme, c'est que nous fournissons aux entreprises de biotechnologie à un stade précoce et moyen à faible des outils puissants qui leur permettront de rivaliser avec des acteurs plus importants, ce qui est bon pour l'industrie dans son ensemble », déclare Umapathi.

Et le fait est que les machines d'automatisation traditionnelles utilisées dans le domaine de la biotechnologie présentent leur propre ensemble de problèmes. Ils sont sujets aux erreurs et vous ne pouvez pas les mettre à l'échelle. Considérez le séquenceur NovaSeq d'Illumina. Il est capable de séquencer 48 génomes humains entiers en moins de deux jours, soit 20 milliards de lectures uniques, mais il n'existe actuellement aucune automatisation pour alimenter ces machines à grande échelle. « Pour faire fonctionner ces machines jour après jour, le coût n'a tout simplement pas de sens, c'est pourquoi nous devons nous attaquer au coût du séquençage et de la préparation des échantillons », explique Umapathi.

Le système de Volta est construit sur de l'électronique à semi-conducteurs, et la startup basée à Boston cherche à tirer parti de l'évolutivité de l'industrie de fabrication de semi-conducteurs et de l'industrie de fabrication de PCB. "L'objectif", explique Langford, "est de permettre aux biologistes de créer une expérience et de la modifier rapidement, de l'itérer et de générer les données nécessaires pour voir la biologie à grande échelle."

Au-delà du goulot d'étranglement de la préparation des échantillons, les travaux d'Umapathi et de Langfordwork auront à terme un impact sur une variété d'applications dans l'industrie de la biologie synthétique et l'industrie biopharmaceutique. Les diagnostics seront transformés, selon Umapathi. « Nous pouvons aider l'industrie de la biologie en réduisant de 20 à 50 fois l'utilisation des pointes de pipette. Dans des flux de travail spécifiques, nous pouvons presque entièrement éliminer ce goulot d'étranglement dans la chaîne d'approvisionnement », dit-il.

Pour accomplir tout cela, pour vraiment innover dans un domaine aussi complexe que la biologie, Umapathi et Langford insistent sur le fait qu'une perspective systémique multidisciplinaire est essentielle. C'est ce qui informe l'approche Volta du séquençage génomique en particulier, et de la biologie dans son ensemble. « Volta est un nouveau type d'entreprise de biotechnologie », déclare Umapathi. « Il est inévitable que davantage d'ingénieurs et de penseurs systémiques et ceux qui souhaitent créer des outils pour mieux concevoir la biologie rejoignent des entreprises comme la nôtre ou créent la leur. »

Transformer la biologie en un principe d'ingénierie n'est pas une mince affaire, mais selon Umapathi et Langford, c'est une nécessité.