生成数据智能

DNA 测序的成本以比摩尔定律更快的速度下降，从而打开了测序领域的大市场。 预计到 23 年，仅用于癌症治疗的基因组学就将达到 2025 亿美元，但用于测序的样品制备成本停滞不前，导致该领域出现重大瓶颈。

传统的样品制备，例如将唾液样品中的 DNA 转化为可以输入测序机的东西，依赖于液体处理机器人。 它本质上是一个配备移液器吸头的机械臂，可将液体样品移至塑料板和放置在平台上的其他仪器。 这些系统涉及多次流体转移，导致试剂和样品的利用率低，这意味着 DNA 测序较少。 此外，它们是缺乏集成并依赖昂贵耗材的独立数据孤岛系统。

与传统的液体处理自动化不同，麻省理工学院媒体实验室衍生的 Volta Labs 开发的解决方案套件为各种工作流程提供端到端集成。 它是昂贵的液体处理机器和手动移液的时尚替代品。 “我们的技术是一种小型、台式设备，成本低，耗材使用量最少，能够快速灵活地组合新的生物工作流程，”Volta Labs 联合创始人兼工程主管 Will Langford SM '14 博士说'19.

Volta 平台基于 Langford 联合创始人、Volta Labs 首席执行官 Udayan Umapathi SM '17 在麻省理工学院开发的数字微流体技术。 创新背后的核心原理称为电润湿。 它允许用户操纵印刷电路板周围的液滴来执行生物反应，从原始样本到可以在测序机上运行的准备好的库自动化。

Umapathi 带着他所说的“对从头开始构建自动化的迷恋”来到媒体实验室。 尽管受过工程师培训，Umapathi 已将他的技能应用于各个领域。 2015 年，他创立了一家初创公司，该公司创建了网络和物理工具，以支持数字制造的内容创建。 然而，在为一家合成生物学公司工作，为基因组工程解决方案设计液体处理系统时，他发现自动化的扩大是该领域的痛点。

与此同时，Langford 在 Bits and Atoms 中心度过了他在麻省理工学院的时光，这是一个令人自豪的跨学科项目，探索计算机科学和物理科学之间的界限。 他的研究集中在工程学可以从生物学中学习的想法上。 换句话说，所有的生命都是由 20 个氨基酸组成的，所以，兰福德想，为什么不尝试一些类似的工程呢？

实际上，这意味着他用一小组毫米级零件构建了集成机器人。 “最终，我试图让工程学更像生物学，”他反思道。 “我认为 Volta 是一个机会，可以颠覆它并使用自动化将生物学更像是工程学。 我们希望为生物学家提供工具，以更精细的粒度和更大的数字灵活性来操纵液体和生物反应。”

虽然 Volta 的自动化平台通过集成复杂的工作流程简化了样品制备，但它还通过新的耗材结构降低了空间成本。 电路板和样板之间有一层耗材，每次运行后将其取下并更换。 传统的耗材是昂贵的、导电编码的塑料或大型微流体结构。 然而，Volta 使用简单的塑料薄膜来降低耗材的成本，这为基因测序的广泛采用打开了大门。

所有这些都指向基因测序空间中更有效和更包容的模型。 多亏了 Volta，很快，有能力投资自动化的将不仅仅是大型生物技术公司。 学术实验室、核心设施和中小型生物技术公司无需担心是否买得起昂贵的机械机器人。 “让我兴奋的是，我们正在为早期和中低通量生物技术公司提供强大的工具，使他们能够与更大的参与者竞争，这对整个行业都有好处，”说乌玛帕蒂。

事实上，生物技术领域中使用的传统自动化机器也有其自身的一系列问题。 它们容易出错，您无法扩展它们。 以 Illumina 的 NovaSeq 测序仪为例。 它能够在不到两天的时间内对 48 个完整的人类基因组进行测序——这是 20 亿次独特的读取——但目前还没有自动化来大规模地喂养这些机器。 “为了日复一日地运行这些机器，成本根本没有意义，这就是我们必须解决测序和样品制备成本的原因，”Umapathi 说。

Volta 的系统建立在固态电子设备上，这家位于波士顿的初创公司正在寻求利用半导体制造行业和 PCB 制造行业的可扩展性。 “目标，”兰福德解释说，“是让生物学家能够创建一个实验并快速修改它，对其进行迭代，并生成大规模观察生物学所需的数据。”

除了样品制备瓶颈，最终，Umapathi 和 Langfordwork 的工作将影响合成生物学行业和生物制药行业的各种应用。 根据 Umapathi 的说法，诊断将发生转变。 “我们可以通过将移液器吸头的使用量减少 20 或 50 次来帮助生物行业。 在特定的工作流程中，我们几乎可以完全消除供应链中的这一瓶颈，”他说。

为了完成这一切，在像生物学这样复杂的领域进行真正的创新，Umapathi 和 Langford 坚持认为多学科系统的观点是必不可少的。 这是 Volta 方法特别适用于基因组测序和整个生物学的原因。 “Volta 是一家新型的生物技术公司，”Umapathi 说。 “不可避免的是，更多的工程师和系统思想家以及那些想要构建工具以更好地设计生物学的人将加入我们这样的公司或创办自己的公司。”

将生物学转化为工程原理并非易事，但根据 Umapathi 和 Langford 的说法，这是必要的。