Il costo del sequenziamento del DNA è crollato a un ritmo più veloce della Legge di Moore, aprendo grandi mercati nel settore del sequenziamento. Si prevede che la sola genomica per la cura del cancro raggiungerà i 23 miliardi di dollari entro il 2025, ma i costi di preparazione dei campioni per il sequenziamento sono rimasti stagnanti, causando un significativo collo di bottiglia in questo settore.

La preparazione convenzionale del campione, convertendo il DNA da un campione di saliva, ad esempio, in qualcosa che può essere alimentato a una macchina di sequenziamento, si basa su un robot per la gestione dei liquidi. Si tratta essenzialmente di un braccio meccanico dotato di puntali per pipette che sposta i campioni liquidi su piastre di plastica e altri strumenti posizionati sul ponte. Questi sistemi comportano molteplici trasferimenti di fluidi che portano a uno scarso utilizzo di reagenti e campioni, il che significa un minor sequenziamento del DNA. Inoltre, si tratta di sistemi costituiti da silos di dati separati che mancano di integrazione e fanno affidamento su materiali di consumo costosi.

A differenza della tradizionale automazione della gestione dei liquidi, la suite di soluzioni sviluppata da Volta Labs, spin-off del MIT Media Lab, fornisce un’integrazione end-to-end per un’ampia varietà di flussi di lavoro. Si tratta di un'elegante alternativa alle costose macchine per la gestione dei liquidi e al pipettaggio manuale. "La nostra tecnologia è un dispositivo da banco su piccola scala, a basso costo e con un utilizzo minimo di materiali di consumo, che consente una composizione rapida e flessibile di nuovi flussi di lavoro biologici", afferma il co-fondatore e responsabile dell'ingegneria di Volta Labs Will Langford SM '14, PhD '19.

La piattaforma Volta si basa sulla tecnologia microfluidica digitale sviluppata al MIT dal co-fondatore di Langford, il CEO di Volta Labs Udayan Umapathi SM '17. Il principio fondamentale alla base dell’innovazione si chiama elettrowetting. Consente agli utenti di manipolare le goccioline attorno a un circuito stampato per eseguire reazioni biologiche, automatizzando dal campione grezzo alla libreria preparata che può essere eseguita su una macchina di sequenziamento.

Umapathi è arrivato al Media Lab con quella che descrive come "una fascinazione per l'automazione degli edifici da zero". Sebbene abbia studiato come ingegnere, Umapathi ha applicato le sue capacità a una varietà di campi. Nel 2015 ha fondato una startup che ha creato strumenti web e fisici per consentire la creazione di contenuti per la produzione digitale. Tuttavia, è stato mentre lavorava per un’azienda di biologia sintetica, impegnata nella progettazione di sistemi di gestione dei liquidi per soluzioni di ingegneria genomica, che ha identificato l’incremento dell’automazione come un punto dolente per il settore.

Nel frattempo, Langford ha trascorso i suoi giorni al MIT presso il Center for Bits and Atoms, un programma orgogliosamente interdisciplinare che esplora il confine tra informatica e scienza fisica. La sua ricerca era incentrata sull'idea che l'ingegneria potesse imparare dalla biologia. In altre parole, tutta la vita è composta da 20 amminoacidi, quindi, pensò Langford, perché non tentare qualcosa di simile con l’ingegneria?

In pratica, ciò significava che ha costruito robot integrati partendo da un piccolo insieme di parti su scala millimetrica. "Alla fine, stavo cercando di rendere l'ingegneria più simile alla biologia", riflette. “Vedo Volta come un’opportunità per ribaltare la situazione e utilizzare l’automazione per trattare la biologia più come ingegneria. Vogliamo offrire ai biologi strumenti per manipolare liquidi e reazioni biologiche con una granularità più fine e con maggiore flessibilità digitale”.

Se da un lato la piattaforma di automazione di Volta semplifica la preparazione dei campioni integrando flussi di lavoro complicati, dall'altro riduce anche i costi nello spazio con una nuova struttura di materiali di consumo. Tra la scheda del circuito e la scheda del campione è presente uno strato di consumo, che viene rimosso e sostituito dopo ogni analisi. I materiali di consumo convenzionali sono plastiche costose, codificate in modo conduttivo o grandi strutture microfluidiche. Volta, tuttavia, utilizza una semplice pellicola di plastica per ridurre il costo dei materiali di consumo, il che apre la porta all’adozione diffusa del sequenziamento genetico.

Tutto ciò indica un modello più efficiente e inclusivo nello spazio del sequenziamento dei geni. Grazie a Volta, presto, non saranno più solo le grandi aziende biotecnologiche a poter investire nell'automazione. I laboratori accademici, le strutture principali e le aziende biotecnologiche di piccole e medie dimensioni non dovranno preoccuparsi se possono permettersi un costoso robot meccanico. "La cosa che mi entusiasma è che stiamo fornendo alle aziende biotecnologiche in fase iniziale e con un rendimento medio-basso strumenti potenti che consentiranno loro di competere con attori più grandi, il che è positivo per il settore nel suo complesso", afferma Umapathi.

E il fatto è che le macchine di automazione tradizionali utilizzate nel settore biotecnologico presentano una serie di problemi. Sono soggetti a errori e non è possibile ridimensionarli. Consideriamo il sequenziatore NovaSeq di Illumina. È in grado di sequenziare 48 interi genomi umani in meno di due giorni – ovvero 20 miliardi di letture uniche – ma attualmente non esiste alcuna automazione per alimentare queste macchine su larga scala. "Per far funzionare queste macchine giorno dopo giorno, il costo semplicemente non ha senso, motivo per cui dobbiamo affrontare il costo del sequenziamento e della preparazione dei campioni", afferma Umapathi.

Il sistema di Volta è costruito su elettronica a stato solido e la startup con sede a Boston sta cercando di sfruttare la scalabilità del settore della fabbricazione di semiconduttori e dell'industria della produzione di PCB. “L’obiettivo”, spiega Langford, “è consentire ai biologi di creare un esperimento e modificarlo rapidamente, ripeterlo e generare i dati necessari per vedere la biologia su larga scala”.

Al di là del collo di bottiglia nella preparazione dei campioni, alla fine, il lavoro di Umapathi e Langfordwork avrà un impatto su una varietà di applicazioni nel settore della biologia sintetica e nell’industria biofarmaceutica. La diagnostica sarà trasformata, secondo Umapathi. “Possiamo aiutare l’industria della biologia riducendo l’uso dei puntali per pipette di 20 o 50 volte. In flussi di lavoro specifici, possiamo eliminare quasi completamente questo collo di bottiglia nella catena di fornitura”, afferma.

Per realizzare tutto ciò, per innovare veramente in un campo complesso come la biologia, Umapathi e Langford insistono sul fatto che una prospettiva sistemica multidisciplinare è essenziale. È ciò che informa l'approccio di Volta al sequenziamento genomico in particolare, e alla biologia nel suo complesso. “Volta è un nuovo tipo di azienda biotecnologica”, afferma Umapathi. "È inevitabile che sempre più ingegneri, pensatori di sistema e coloro che desiderano creare strumenti per progettare meglio la biologia si uniscano ad aziende come la nostra o ne avviino una propria."

Trasformare la biologia in un principio ingegneristico non è un'impresa da poco, ma secondo Umapathi e Langford è una necessità.