Стоимость секвенирования ДНК резко упала быстрее, чем закон Мура, что открыло большие рынки в области секвенирования. Прогнозируется, что к 23 году только геномика для лечения рака достигнет 2025 миллиардов долларов, но затраты на подготовку образцов для секвенирования остались на прежнем уровне, что приведет к серьезным затруднениям в этой области.

Обычная подготовка образцов, например, преобразование ДНК из образца слюны во что-то, что можно подавать в секвенатор, основывается на роботе, работающем с жидкостями. По сути, это механическая рука, оснащенная наконечниками для пипеток, которая перемещает жидкие образцы на пластиковые тарелки и другие инструменты, размещенные на деке. Эти системы включают несколько переносов жидкости, что приводит к плохому использованию реагентов и образцов, что означает меньшую секвенированность ДНК. Более того, это системы отдельных хранилищ данных, которые не имеют интеграции и требуют дорогостоящих расходных материалов.

В отличие от традиционной автоматизации обработки жидкостей, набор решений, разработанный дочерней компанией MIT Media Lab Volta Labs, обеспечивает сквозную интеграцию для самых разных рабочих процессов. Это элегантная альтернатива дорогостоящим машинам для обработки жидкостей и ручному дозированию. «Наша технология представляет собой малогабаритное настольное устройство, которое недорогое и требует минимального использования расходных материалов, что позволяет быстро и гибко создавать новые биологические рабочие процессы», - говорит соучредитель и руководитель отдела разработки Volta Labs Уилл Лэнгфорд SM '14, доктор философии. '19.

Платформа Volta основана на цифровой микрофлюидной технологии, разработанной в Массачусетском технологическом институте соучредителем Лэнгфорда, генеральным директором Volta Labs Удайаном Умапати SM '17. Основным принципом нововведения является электросмачивание. Он позволяет пользователям манипулировать каплями на печатной плате для выполнения биологических реакций, автоматизируя переход от необработанного образца к подготовленной библиотеке, которую можно запустить на секвенаторе.

Умапатхи прибыл в Media Lab с тем, что он описывает как «увлечение автоматизацией зданий с нуля». Хотя Умапатхи получил образование инженера, он применил свои навыки в различных областях. В 2015 году он основал стартап, который создавал веб-инструменты и физические инструменты, позволяющие создавать контент для цифрового производства. Однако именно во время работы в компании синтетической биологии, занимающейся разработкой систем обработки жидкостей для решений геномной инженерии, он определил, что расширение масштабов автоматизации является проблемой для этой области.

Тем временем Лэнгфорд провел дни в Массачусетском технологическом институте в Центре битов и атомов - междисциплинарной программе, которая исследует границу между информатикой и физикой. Его исследования были сосредоточены на идее, что инженерные науки могут учиться у биологии. Иными словами, вся жизнь состоит из 20 аминокислот, так что, подумал Лэнгфорд, почему бы не попробовать что-то подобное с помощью инженерии?

На практике это означало, что он построил интегрированных роботов из небольшого набора деталей миллиметрового размера. «В конечном итоге я пытался сделать инженерию больше похожей на биологию», - размышляет он. «Я рассматриваю Volta как возможность перевернуть все с ног на голову и использовать автоматизацию, чтобы относиться к биологии как к инженерии. Мы хотим дать биологам инструменты для управления жидкостями и биологическими реакциями с большей степенью детализации и с большей цифровой гибкостью ».

Платформа автоматизации Volta упрощает подготовку образцов за счет интеграции сложных рабочих процессов, а также снижает затраты на производство за счет новой конструкции расходных материалов. Между печатной платой и платой для образцов находится расходный слой, который удаляется и заменяется после каждого цикла. Обычные расходные материалы - это дорогие пластмассы с токопроводящей кодировкой или большие микрофлюидные структуры. Volta, однако, использует простую пластиковую пленку, чтобы снизить стоимость расходных материалов, что открывает двери для широкого внедрения секвенирования генов.

Все это указывает на более эффективную и инклюзивную модель в области секвенирования генов. Благодаря Volta скоро не только крупные биотехнологические компании смогут инвестировать в автоматизацию. Академическим лабораториям, основным объектам и малым и средним биотехнологическим компаниям не нужно будет беспокоиться о том, могут ли они позволить себе дорогого механического робота. «Что меня восхищает, так это то, что мы предоставляем биотехнологическим компаниям на ранней стадии и со средней или низкой производительностью мощные инструменты, которые позволят им конкурировать с более крупными игроками, что хорошо для отрасли в целом», - говорит Умапатхи.

И дело в том, что традиционные машины автоматизации, используемые в сфере биотехнологий, имеют свой собственный набор проблем. Они подвержены ошибкам, и вы не можете их масштабировать. Рассмотрим секвенсор Illumina NovaSeq. Он способен секвенировать 48 полных геномов человека менее чем за два дня - это 20 миллиардов уникальных считываний - но в настоящее время нет автоматизации для масштабирования этих машин. «Чтобы эксплуатировать эти машины изо дня в день, затраты просто не имеют смысла, поэтому нам приходится брать на себя расходы на секвенирование и подготовку образцов», - говорит Умапатхи.

Система Volta построена на твердотельной электронике, и стартап из Бостона стремится использовать возможности масштабирования в отрасли производства полупроводников и производства печатных плат. «Цель, - объясняет Лэнгфорд, - дать биологам возможность создать эксперимент и быстро его модифицировать, повторить его и получить данные, необходимые для изучения биологии в масштабе».

Помимо узких мест при приготовлении проб, в конечном итоге работа Умапатхи и Лэнгфордворк повлияет на множество приложений в индустрии синтетической биологии и биофармацевтической промышленности. По словам Умапатхи, диагностика изменится. «Мы можем помочь биологической промышленности, сократив использование наконечников пипеток в 20 или 50 раз. В определенных рабочих процессах мы можем почти полностью устранить это узкое место в цепочке поставок », - говорит он.

Умапати и Лэнгфорд настаивают на том, что для достижения всего этого, чтобы по-настоящему внедрять инновации в такой сложной области, как биология, важна перспектива мультидисциплинарных систем. Это то, что определяет подход Вольта к геномному секвенированию в частности и биологии в целом. «Volta - это биотехнологическая компания нового типа, - говорит Умапатхи. «Неизбежно, что больше инженеров и системных мыслителей, а также тех, кто хочет создавать инструменты для более качественной инженерии биологии, присоединятся к таким компаниям, как наша, или создадут свои собственные».

Превратить биологию в инженерный принцип - нелегкий подвиг, но, по мнению Умапатхи и Лэнгфорда, это необходимость.