DNAシーケンシングのコストはムーアの法則よりも速い速度で急落し、シーケンシング空間に大きな市場を開きました。 がん治療だけのゲノミクスは23年までに2025億ドルに達すると予測されていますが、シーケンスのサンプル準備コストは停滞しており、この分野で重大なボトルネックを引き起こしています。

たとえば唾液サンプルからのDNAをシーケンスマシンに供給できるものに変換する従来のサンプル準備は、液体処理ロボットに依存しています。 これは本質的に、液体サンプルをプラスチックプレートやデッキに配置された他の機器に移動するピペットチップを備えた機械式アームです。 これらのシステムは、試薬とサンプルの利用率が低くなる複数の流体移動を伴います。これは、シーケンスされるDNAが少なくなることを意味します。 さらに、それらは統合を欠き、高価な消耗品に依存する別個のデータサイロのシステムです。

従来の液体処理の自動化とは異なり、MITメディアラボのスピンオフであるVolta Labsによって開発された一連のソリューションは、さまざまなワークフローにエンドツーエンドの統合を提供します。 これは、高価な液体処理機や手動ピペッティングの洗練された代替手段です。 「当社の技術は、低コストで消耗品の使用が最小限である小規模なベンチトップデバイスであり、新しい生物学的ワークフローの迅速かつ柔軟な構成を可能にします」と、VoltaLabsの共同創設者兼エンジニアリング責任者であるWillLangford SM '14、PhDは述べています。 '19。

Voltaプラットフォームは、MITでLangfordの共同創設者であるVoltaLabsのCEOであるUdayanUmapathi SM'17によって開発されたデジタルマイクロ流体技術に基づいています。 革新の背後にあるコア原理は、エレクトロウェッティングと呼ばれています。 これにより、ユーザーはプリント回路基板の周りの液滴を操作して生物学的反応を実行し、生のサンプルからシーケンスマシンで実行できる準備されたライブラリまで自動化できます。

Umapathiは、「ゼロから自動化を構築することへの魅力」と彼が説明するものを持ってメディアラボに到着しました。 Umapathiはエンジニアとして訓練を受けていますが、彼のスキルをさまざまな分野に応用してきました。 2015年に、彼はデジタルマニュファクチャリングのコンテンツ作成を可能にするWebおよび物理ツールを作成するスタートアップを設立しました。 しかし、彼がゲノム工学ソリューションの液体処理システムを設計している合成生物学会社で働いていたとき、彼は自動化のスケールアップをこの分野の問題点として特定しました。

一方、ラングフォードはMITの日々を、コンピューターサイエンスと物理科学の境界を探求する学際的なプログラムであるCenter for Bits andAtomsで過ごしました。 彼の研究は、工学が生物学から学ぶことができるという考えに集中していました。 言い換えれば、すべての生命は20個のアミノ酸から組み立てられているので、ラングフォードは、工学と同じようなことを試みてみませんか？

実際には、これは彼がミリメートルスケールの部品の小さなセットから統合ロボットを構築したことを意味しました。 「最終的に、私は工学を生物学のようにしようとしていました」と彼は振り返ります。 「Voltaは、それを真っ向から反転させ、自動化を使用して生物学を工学のように扱う機会だと考えています。 私たちは生物学者に、液体と生物学的反応をより細かい粒度で、よりデジタルな柔軟性で操作するためのツールを提供したいと考えています。」

Voltaの自動化プラットフォームは、複雑なワークフローを統合することでサンプル準備を簡素化する一方で、新しい消耗品の構造により、スペースのコストを削減します。 回路基板とサンプル基板の間には消耗品の層があり、実行するたびに取り外して交換します。 従来の消耗品は、高価で導電性にコード化されたプラスチックまたは大きなマイクロ流体構造です。 ただし、Voltaは、消耗品のコストを削減するために単純なプラスチックフィルムを使用しているため、遺伝子シーケンシングが広く採用される可能性があります。

これらはすべて、遺伝子シーケンシング空間におけるより効率的で包括的なモデルを示しています。 Voltaのおかげで、まもなく、自動化に投資できるのは大規模なバイオテクノロジー企業だけではなくなります。 アカデミックラボ、コア施設、および中小規模のバイオテクノロジー企業は、高価な機械式ロボットを購入できるかどうかを心配する必要はありません。 「私がわくわくするのは、初期段階から中スループットから低スループットのバイオテクノロジー企業に、より大きなプレーヤーと競争できる強力なツールを提供していることです。これは業界全体にとって良いことです」と述べています。ウマパティ。

実際、バイオテクノロジー分野で使用されている従来の自動化マシンには、独自の問題があります。 それらはエラーが発生しやすく、スケーリングすることはできません。 イルミナのNovaSeqシーケンサーを考えてみましょう。 48日以内に20のヒトゲノム全体をシーケンスすることができます—これはXNUMX億回のユニークな読み取りです—しかし現在、これらのマシンに大規模に供給する自動化はありません。 「これらのマシンを毎日実行するには、コストが意味をなさないため、シーケンスとサンプル準備のコストに取り組む必要があります」とUmapathi氏は言います。

Voltaのシステムはソリッドステートエレクトロニクス上に構築されており、ボストンを拠点とする新興企業は、半導体製造業界とPCB製造業界のスケーラビリティを活用しようとしています。 「目標は、生物学者が実験を作成してすばやく修正し、反復し、生物学を大規模に見るために必要なデータを生成できるようにすることです」とラングフォードは説明します。

サンプル前処理のボトルネックを超えて、最終的には、UmapathiとLangfordworkの作業は、合成生物学業界とバイオ医薬品業界のさまざまなアプリケーションに影響を与えます。 Umapathiによれば、診断は変革されるでしょう。 「ピペットチップの使用を20〜50倍削減することで、生物学業界を支援することができます。 特定のワークフローでは、サプライチェーンにおけるこのボトルネックをほぼ完全に排除できます」と彼は言います。

これらすべてを達成するために、生物学のように複雑な分野で真に革新するために、UmapathiとLangfordは、学際的なシステムの視点が不可欠であると主張します。 これは、特にゲノム配列決定、そして生物学全体に対するVoltaのアプローチに情報を与えるものです。 「Voltaは新しいタイプのバイオテクノロジー企業です」とUmapathi氏は言います。 「より多くのエンジニアやシステム思想家、そして生物学をより良く設計するためのツールを構築したい人々が、私たちのような企業に参加するか、独自に始めることは避けられません。」

生物学を工学の原理に変えることは簡単なことではありませんが、UmapathiとLangfordによれば、それは必要なことです。