Kostnaden for DNA -sekvensering har sunket raskere enn Moores lov, og åpnet store markeder i sekvenseringsområdet. Genomikk for kreftbehandling alene er spådd å nå 23 milliarder dollar innen 2025, men utarbeidelseskostnadene for sekvensering har stagnert og forårsaket en betydelig flaskehals i rommet.

Konvensjonell prøveforberedelse, konvertering av DNA fra en spyttprøve, for eksempel til noe som kan mates til en sekvenseringsmaskin, er avhengig av en væskehåndteringsrobot. Det er egentlig en mekanisk arm utstyrt med pipettespisser som flytter væskeprøver til plastplater og andre instrumenter plassert på dekket. Disse systemene involverer flere fluidiske overføringer som fører til dårlig utnyttelse av reagenser og prøver, noe som betyr mindre DNA -sekvensert. Videre er de systemer med separate datasiloer som mangler integrasjon og er avhengige av dyre forbruksvarer.

I motsetning til tradisjonell væskehåndteringsautomatisering, tilbyr pakken med løsninger utviklet av MIT Media Lab spinoff Volta Labs ende-til-ende-integrasjon for et bredt spekter av arbeidsflyter. Det er et elegant alternativ til dyre væskehåndteringsmaskiner og manuell pipettering. "Teknologien vår er en liten, bærbar enhet som er rimelig og har minimalt forbruk, noe som muliggjør rask og fleksibel sammensetning av nye biologiske arbeidsflyter," sier Volta Labs, medstifter og ingeniørsjef Will Langford SM '14, PhD '19.

Volta-plattformen er basert på digital mikrofluid teknologi utviklet på MIT av Langfords medgrunnlegger, Volta Labs CEO Udayan Umapathi SM '17. Kjerneprinsippet bak innovasjonen kalles electrowetting. Det lar brukerne manipulere dråper rundt et kretskort for å utføre biologiske reaksjoner, automatisere fra råprøve til forberedt bibliotek som kan kjøres på en sekvenseringsmaskin.

Umapathi ankom Media Lab med det han beskriver som "en fascinasjon for å bygge automatisering fra grunnen av." Selv om han er utdannet ingeniør, har Umapathi brukt sine ferdigheter på en rekke felt. I 2015 grunnla han en oppstart som opprettet web og fysiske verktøy for å muliggjøre innholdsskaping for digital produksjon. Imidlertid var det mens han jobbet for et syntetisk biologiselskap som konstruerte væskehåndteringssystemer for genomtekniske løsninger, at han identifiserte oppskalering av automatisering som et smertepunkt for feltet.

I mellomtiden tilbrakte Langford sine MIT -dager på Center for Bits and Atoms, et stolt tverrfaglig program som utforsker grensen mellom datavitenskap og fysikk. Forskningen hans fokuserte på ideen om at ingeniørfag kunne lære av biologi. Sagt på en annen måte, alt liv er satt sammen av 20 aminosyrer, så tenkte Langford, hvorfor ikke prøve noe lignende med ingeniørfag?

I praksis betydde dette at han bygde integrerte roboter fra et lite sett med millimeterskala deler. "Til syvende og sist prøvde jeg å gjøre ingeniørkunst mer som biologi," reflekterer han. "Jeg ser på Volta som en mulighet til å snu det på hodet og bruke automatisering til å behandle biologi mer som ingeniørfag. Vi ønsker å gi biologer verktøy for å manipulere væsker og biologiske reaksjoner med en finere granularitet og med mer digital fleksibilitet. ”

Mens Voltas automatiseringsplattform forenkler prøveforberedelse ved å integrere kompliserte arbeidsflyter, reduserer det også kostnadene i rommet med en ny forbruksvarekonstruksjon. Mellom kretskortet og prøvekortet er et forbrukslag som fjernes og skiftes ut etter hver kjøring. Konvensjonelle forbruksvarer er dyre, ledende kodede plastmaterialer eller store mikrofluidstrukturer. Volta bruker imidlertid en enkel plastfilm for å redusere kostnadene for forbruksvarer, noe som åpner døren for utbredt bruk av gensekvensering.

Alt dette peker på en mer effektiv og inkluderende modell i gensekvenseringsrommet. Takket være Volta, snart vil det ikke bare være store bioteknologiselskaper med mulighet til å investere i automatisering. Akademiske laboratorier, kjernefasiliteter og små til mellomstore bioteknologiske selskaper trenger ikke å bekymre seg for om de har råd til en dyr mekanisk robot. "Det som gleder meg er at vi tilbyr bioteknologiselskaper på et tidlig stadium og mellom til lav gjennomstrømning med kraftige verktøy som lar dem konkurrere med større aktører, noe som er bra for bransjen som helhet," sier Umapathi.

Og faktum er at tradisjonelle automatiseringsmaskiner som brukes i bioteknologirommet har sine egne problemer. De er utsatt for feil, og du kan ikke skalere dem. Vurder Illuminas NovaSeq sequencer. Den er i stand til å sekvensere 48 hele menneskelige genomer på under to dager - det er 20 milliarder unike lesninger - men det er foreløpig ingen automatisering for å mate disse maskinene i stor skala. "For å kjøre disse maskinene dag ut og dag inn, gir kostnaden rett og slett ingen mening, og derfor må vi takle kostnadene ved sekvensering og prøveforberedelse," sier Umapathi.

Voltas system er bygget på solid state elektronikk, og den Boston-baserte oppstarten ønsker å utnytte skalerbarheten til halvlederproduksjonsindustrien og PCB-industrien. "Målet," forklarer Langford, "er å gjøre det mulig for biologer å lage et eksperiment og raskt endre det, gjenta det og generere dataene som er nødvendige for å se biologien i stor skala."

Utover prøveflaskehalsen til prøve, vil arbeidet til Umapathi og Langfordwork til slutt påvirke en rekke applikasjoner i syntetisk biologi og biopharmaindustrien. Diagnostikk vil bli transformert, ifølge Umapathi. “Vi kan hjelpe biologiindustrien ved å kutte ned bruken av pipettespisser med 20 eller 50 ganger. I spesifikke arbeidsflyter kan vi nesten helt eliminere denne flaskehalsen i forsyningskjeden, sier han.

For å oppnå alt dette, for å virkelig innovere på et så komplekst område som biologi, insisterer Umapathi og Langford på at et tverrfaglig systemperspektiv er avgjørende. Det er det som informerer Volta -tilnærmingen til genomisk sekvensering spesielt, og biologien som helhet. "Volta er en ny type bioteknologisk selskap," sier Umapathi. "Det er uunngåelig at flere ingeniører og systemtenkere og de som ønsker å bygge verktøy for å utvikle biologi bedre, blir med i selskaper som vårt eller starter sitt eget."

Å gjøre biologi til et ingeniørprinsipp er ingen liten bragd, men ifølge Umapathi og Langford er det en nødvendighet.