DNA 시퀀싱 비용은 무어의 법칙보다 빠른 속도로 급락하여 시퀀싱 분야에서 큰 시장을 개척했습니다. 암 치료를 위한 유전체학만 23년까지 2025억 달러에 이를 것으로 예상되지만, 시퀀싱을 위한 샘플 준비 비용이 정체되어 이 분야에서 상당한 병목 현상을 일으키고 있습니다.

예를 들어, 타액 샘플의 DNA를 시퀀싱 기계에 공급할 수 있는 것으로 변환하는 기존의 샘플 준비는 액체 처리 로봇에 의존합니다. 본질적으로 액체 샘플을 데크에 놓인 플라스틱 판 및 기타 기기로 이동시키는 피펫 팁이 장착된 기계식 암입니다. 이러한 시스템에는 시약 및 샘플의 활용도가 낮은 다중 유체 이동이 포함되며, 이는 DNA 염기서열 분석이 적음을 의미합니다. 또한 통합이 부족하고 값비싼 소모품에 의존하는 별도의 데이터 사일로 시스템입니다.

기존의 액체 처리 자동화와 달리 MIT Media Lab에서 분사한 Volta Labs가 개발한 솔루션 제품군은 다양한 워크플로를 위한 종단 간 통합을 제공합니다. 값비싼 액체 처리 기계 및 수동 피펫팅에 대한 세련된 대안입니다. Volta Labs의 공동 설립자이자 엔지니어링 책임자인 Will Langford SM '14, PhD는 "우리 기술은 저렴하고 소모품 사용량을 최소화하는 소규모 벤치탑 장치로, 새로운 생물학적 워크플로를 빠르고 유연하게 구성할 수 있습니다."라고 말했습니다. '19.

Volta 플랫폼은 Langford의 공동 설립자인 Volta Labs CEO Udayan Umapathi SM '17이 MIT에서 개발한 디지털 미세유체 기술을 기반으로 합니다. 혁신의 핵심 원리는 전기습윤(electrowetting)이라고 합니다. 사용자는 생물학적 반응을 수행하기 위해 인쇄 회로 기판 주위의 액적을 조작할 수 있으며, 원시 샘플에서 시퀀싱 기계에서 실행할 수 있는 준비된 라이브러리까지 자동화할 수 있습니다.

Umapathi는 "처음부터 자동화 구축에 대한 매력"이라고 설명하면서 Media Lab에 도착했습니다. 엔지니어로 훈련을 받았지만 Umapathi는 자신의 기술을 다양한 분야에 적용했습니다. 2015년에 그는 디지털 제조를 위한 콘텐츠 제작을 가능하게 하는 웹 및 물리적 도구를 만드는 스타트업을 설립했습니다. 그러나 그는 게놈 엔지니어링 솔루션을 위한 액체 처리 시스템을 엔지니어링하는 합성 생물학 회사에서 일하는 동안 자동화의 확장이 이 분야의 골칫거리임을 확인했습니다.

한편, Langford는 컴퓨터 과학과 물리 과학의 경계를 탐구하는 자랑스러운 학제 간 프로그램인 Center for Bits and Atoms에서 MIT 시절을 보냈습니다. 그의 연구는 공학이 생물학에서 배울 수 있다는 아이디어에 중점을 두었습니다. 다시 말해, 모든 생명체는 20개의 아미노산으로 구성되어 있습니다. 따라서 Langford는 공학으로 이와 유사한 것을 시도해보는 것이 어떻겠습니까?

실제로 이것은 그가 밀리미터 단위의 작은 부품 세트로 통합 로봇을 만들었다는 것을 의미했습니다. “궁극적으로 나는 공학을 생물학처럼 만들려고 노력했습니다.”라고 그는 회상합니다. “저는 Volta가 이를 뒤집고 자동화를 사용하여 생물학을 공학처럼 취급할 수 있는 기회로 보고 있습니다. 우리는 생물학자들에게 액체와 생물학적 반응을 보다 세밀하고 디지털 방식으로 유연하게 조작할 수 있는 도구를 제공하고자 합니다."

Volta의 자동화 플랫폼은 복잡한 워크플로우를 통합하여 샘플 준비를 단순화하는 동시에 새로운 소모품 구조로 공간의 비용을 절감합니다. 회로 기판과 샘플 기판 사이에는 소모품 층이 있으며, 이는 각 실행 후에 제거 및 교체됩니다. 기존의 소모품은 값비싼 전도성 코드 플라스틱 또는 대형 미세유체 구조입니다. 그러나 Volta는 단순한 플라스틱 필름을 사용하여 소모품 비용을 절감함으로써 유전자 시퀀싱의 광범위한 채택을 위한 문을 열었습니다.

이 모든 것은 유전자 시퀀싱 공간에서 보다 효율적이고 포함된 모델을 가리킵니다. Volta 덕분에 머지 않아 자동화에 투자할 수 있는 능력을 갖춘 대형 생명 공학 회사가 아닙니다. 학술 연구실, 핵심 시설 및 중소 생명 공학 회사는 값 비싼 기계 로봇을 구입할 수 있는지 여부에 대해 걱정할 필요가 없습니다. "저를 흥분시키는 것은 우리가 초기 단계 및 중간에서 낮은 처리량의 생명 공학 회사에 더 큰 플레이어와 경쟁할 수 있는 강력한 도구를 제공하고 있으며 이는 업계 전체에 좋습니다"라고 말합니다. 우마파티.

그리고 사실 생명공학 분야에서 사용되는 전통적인 자동화 기계에는 고유한 문제가 있습니다. 오류가 발생하기 쉽고 확장할 수 없습니다. Illumina의 NovaSeq 시퀀서를 고려하십시오. 이틀 안에 48개의 전체 인간 게놈(20억 개의 고유 읽기)을 시퀀싱할 수 있지만 현재 이러한 기계에 대규모로 공급하는 자동화는 없습니다. Umapathi는 "이러한 기계를 매일 실행하려면 비용이 합리적이지 않기 때문에 시퀀싱 및 샘플 준비 비용을 처리해야 합니다."라고 말합니다.

Volta의 시스템은 반도체 전자 장치를 기반으로 하며 보스턴에 기반을 둔 이 스타트업은 반도체 제조 산업과 PCB 제조 산업의 확장성을 활용하려고 합니다. "목표는 생물학자들이 실험을 만들고 신속하게 수정하고 반복하고 대규모 생물학을 보는 데 필요한 데이터를 생성할 수 있도록 하는 것입니다."라고 Langford는 설명합니다.

샘플 준비 병목 현상을 넘어서, 궁극적으로 Umapathi와 Langfordwork의 작업은 합성 생물학 산업과 바이오 제약 산업의 다양한 응용 분야에 영향을 미칠 것입니다. Umapathi에 따르면 진단은 혁신될 것입니다. “피펫 팁 사용을 20~50배 줄여 생물학 산업을 도울 수 있습니다. 특정 워크플로에서는 공급망에서 이러한 병목 현상을 거의 완전히 제거할 수 있습니다.”라고 그는 말합니다.

이 모든 것을 달성하고 생물학과 같은 복잡한 분야에서 진정으로 혁신하려면 다학문 시스템 관점이 필수적이라고 Umapathi와 Langford는 주장합니다. 이것은 특히 게놈 시퀀싱, 그리고 생물학 전체에 대한 Volta 접근 방식을 알려주는 것입니다. Umapathi는 “Volta는 새로운 유형의 생명 공학 회사입니다. "더 많은 엔지니어와 시스템 사상가, 생물학을 더 잘 공학하기 위한 도구를 만들고자 하는 사람들이 우리와 같은 회사에 합류하거나 자신의 회사를 시작하는 것은 불가피합니다."

생물학을 공학 원리로 바꾸는 것은 작은 일이 아니지만 Umapathi와 Langford에 따르면 필수입니다.