48 experimentů současně

V „Laboratoriu budoucnosti“ se plnění bioreaktorů různými látkami provádí plně automaticky podle předem stanoveného vzoru. (© TU Berlin/PR/Felix Noak)

V laboratoři „Lab of the future“ lze současně provádět 48 experimentů. (© TU Berlin/PR/Felix Noak)

Vedoucí laboratoře Florian Glauche používá zkušební držák s roztoky, které jsou plněny do bioreaktorů. (© TU Berlin/PR/Felix Noak)

Robotická manipulátorová ruka pro obsluhu a skladování různých držáků vzorků a měřicí zařízení pro plně automatické vyhodnocování probíhajících experimentů (vpravo). (© TU Berlin/PR/Felix Noak)

Robotická manipulátorová ruka pro pokrytí a skladování různých držáků vzorků. 48 experimentů může být současně provedeno v „Laboratoři budoucnosti“. (© TU Berlin/PR/Felix Noak)

V „Laboratoři budoucnosti“ v oboru Bioverfahrenstechnik by měly být vývojové časy pro výrobu léků a dalších biologických produktů drasticky zkráceny a náklady výrazně sníženy. To je možné díky úplné digitalizaci procesů. 

Vývoj nových procesů pro výrobu antibiotik nebo léků na rakovinu je zdlouhavý a nákladný. „Dnes uběhne deset až patnáct let, než se nový produkt dostane na trh, a investice do miliardových částek nejsou výjimečné,“ říká Prof. Dr. Peter Neubauer, vedoucí oboru Bioverfahrenstechnik. Proto vyvinul laboratoř, ve které chce vývojové časy výrazně zkrátit a tím i náklady extrémně snížit. Cesta k tomuto cíli spočívá v úplné automatizaci procesů vývoje inovativního bioproduktu. Ručně prováděné laboratorní práce, dokonce i manuální plánování a vyhodnocování experimentů, by měly být minulostí. „Laboratoř budoucnosti“ se nachází na kampusu TU v Ackerstraße v Berlíně-Wedding. 

Srdcem laboratoře jsou v současnosti dva roboti: Jeden je určen pro celkovou analytiku, druhý se stará o kultivaci buněk. Tento robot obsahuje minibioreaktorový systém s 48 kultivačními nádobami, u nichž lze jednotlivě stanovit podmínky kultivace. To umožňuje současně provádět 48 nezávislých experimentů. Kultivace a analytika již v „Laboratoři budoucnosti“ nejsou časově oddělené. 

To, co se v „Laboratoři budoucnosti“ děje, revolučně mění bioprocesní technologie. Ačkoliv jsou roboti již dnes v laboratořích používáni, většinou „ovládají“ pouze jeden procesní krok. Buď kultivují buňky nebo je ničí, aby získali složky, nebo analyzují vzorky. Přístup týmu Petera Neubauera je v tom, že všechny tyto kroky integrují do jednoho robota a řídí ho pomocí inteligentních počítačových systémů.

Od roku 2012 vyvíjejí Dr.-Ing. M. Nicolas Cruz Bournazou, vedoucí skupiny pro počítačem řízený vývoj bioprocesů, a Dipl.-Ing. Florian Glauche, vedoucí budoucího laboratoře, nástroje, které mají lépe využít potenciál automatizační techniky. Jejich hlavním cílem je odklonit se od klasického pracovního postupu – plánování, provádění a vyhodnocování pokusů – a lépe využít možnosti spolupráce počítače a robota. Pěstování a analýza buněčných kultur pomocí robotiky patří v průmyslu k běžné rutině, avšak tyto experimenty zahrnují pouze koncové měření. M. Nicolas Cruz Bournazou a Florian Glauche chtějí získat více informací z jednotlivých experimentů, aby mohli matematicky popsat růst buněk a syntézu požadovaného produktu. K tomu během experimentu kontinuálně měří růst buněk, koncentraci kyslíku a pH kultury. Pro řízení a vyhodnocení experimentu vyvinuli síť programů, která během trvání pokusu analyzuje dostupná data, přizpůsobuje tomu matematický model a posílá instrukce robotům na další časové okno. Díky tomu může experiment během běhu probíhat zcela odlišně od původního plánu. To umožňuje získat maximální množství informací a tím i co nejpřesnější matematický popis výrobního procesu. Dr. Anke Wagner, rovněž vědecká pracovnice v oboru Bioverfahrenstechnik, využívá budoucí laboratoř k výrobě proteinů, které jsou následně používány k výrobě bioaktivních látek. Bioaktivní látky jsou například antivirové účinné látky nebo léky na rakovinu. „Biologická syntéza nových účinných látek vyžaduje nové biokatalyzátory. V budoucí laboratoři lze během velmi krátké doby vyrobit velké množství biokatalyzátorů. Mnoho parametrů procesu lze sledovat a neustále optimalizovat,“ říká Anke Wagner. Navíc budoucí laboratoř umožňuje identifikaci nových enzymatických aktivit z stovek nových proteinů, jejichž funkce zatím nejsou přesně známy.

„S výzkumným projektem ‚AutoBio‘ jsme začali v roce 2012 s výzkumem výstavby ‚Laboratoře budoucnosti‘. V té době neexistovaly žádné zařízení, přístupy nebo práce, které by umožnily integraci a automatizaci všech kroků při vývoji bioprocesů pro výrobu inovativních bioproduktů, například enzymů používaných k terapeutickým účelům. Náš přístup je nový a celosvětově unikátní. Po čtyřech letech výzkumu jsme nyní v rámci EU projektů ‚LeanProt‘ a ‚BioRapid‘ s naším ‚Laboratoří budoucnosti‘ dokázali, že úplná digitalizace a automatizace v bioverfahrenstech je možná,“ říká Prof. Dr. Peter Neubauer.