48 Expériences en même temps

Dans le « Labor du futur », le remplissage des bioreacteurs avec différentes substances se fait de manière entièrement automatique selon un schéma préétabli. (© TU Berlin/PR/Felix Noak)

Dans le « Laboratoire du futur », 48 expériences peuvent être menées simultanément. (© TU Berlin/PR/Felix Noak)

Chef de laboratoire Florian Glauche utilise un porte-échantillons avec des solutions, qui sont versées dans les bioréacteurs. (© TU Berlin/PR/Felix Noak)

Bras robotisé pour la manipulation et le stockage de diverses supports d'échantillons et dispositif de mesure pour l'évaluation entièrement automatique des expériences en cours (à droite). (© TU Berlin/PR/Felix Noak)

Bras robotisé pour la manipulation et le stockage de différents porte-échantillons. 48 expériences peuvent être réalisées simultanément dans le « Labor du futur ». (© TU Berlin/PR/Felix Noak)

Dans le « Lab du futur » de la Fachgebiet Bioverfahrenstechnik, les délais de développement pour la fabrication de médicaments et d'autres produits biologiques doivent être considérablement raccourcis et les coûts fortement réduits. Cela devient possible grâce à la digitalisation complète des processus. 

Le développement de nouveaux procédés pour la fabrication d'antibiotiques ou de médicaments contre le cancer est long et coûteux. « Dix à quinze ans s'écoulent aujourd'hui avant qu'un nouveau produit ne soit commercialisé, et des investissements de milliards d'euros ne sont pas rares », explique le Prof. Dr. Peter Neubauer, responsable du département Bioverfahrenstechnik. Il a donc développé un laboratoire dans lequel il souhaite réduire drastiquement les délais de développement et ainsi diminuer fortement les coûts. La voie vers cet objectif : automatiser entièrement les processus de développement d’un produit biotechnologique innovant. Les travaux de laboratoire manuels, y compris la planification et l’évaluation manuelles des expériences, devraient appartenir au passé. Le « Lab du futur » se trouve sur le campus de la TU, à l’Ackerstraße, à Berlin-Wedding. 

Le cœur du laboratoire est actuellement constitué de deux robots : l’un dédié à toute l’analyse, l’autre à la culture des cellules. Ce robot contient un système de mini-bioréacteurs avec 48 contenants de culture, pour lesquels les conditions de culture peuvent être définies individuellement. Cela permet de réaliser simultanément 48 expériences indépendantes. La culture et l’analyse ne sont plus séparées dans le « Lab souvent le futur ». 

Ce qui se passe dans le « Lab du futur » révolutionne la biotechnologie. Bien que des robots soient déjà utilisés dans les laboratoires aujourd’hui, ils « maîtrisent » généralement une seule étape du processus. Ils peuvent soit cultiver des cellules, soit les détruire pour en extraire des composants, ou analyser des échantillons. L’approche de l’équipe de Peter Neubauer consiste à intégrer toutes ces étapes dans un seul robot, contrôlé par des systèmes informatiques intelligents.

Depuis 2012, le Dr.-Ing. M. Nicolas Cruz Bournazou, chef de groupe en développement de bioprocédés assisté par ordinateur, et Dipl.-Ing. Florian Glauche, responsable du laboratoire du futur, développent des outils visant à exploiter davantage le potentiel de l’automatisation. Leur objectif principal est de s’éloigner de la méthode classique de planification, d’exécution et d’évaluation des essais, et de mieux exploiter la synergie entre ordinateur et robot. La culture et l’analyse de cultures cellulaires par robotique font partie de la routine dans l’industrie, mais ces expériences ne comprennent que des mesures en fin de processus. M. Nicolas Cruz Bournazou et Florian Glauche souhaitent obtenir plus d’informations à partir de chaque expérience, afin de pouvoir décrire mathématiquement la croissance cellulaire et la synthèse du produit souhaité. Pour cela, ils mesurent en continu, durant une expérience, la croissance cellulaire, la concentration en oxygène et le pH de la culture. Pour contrôler et analyser l’expérience, ils ont développé un réseau de programmes qui, pendant la durée de l’expérimentation, analyse les données disponibles, ajuste un modèle mathématique et transmet des instructions aux robots pour la prochaine étape. Une expérience peut ainsi suivre un déroulement totalement différent de celui prévu au départ. Cela permet de maximiser la quantité d’informations recueillies et d’obtenir une description mathématique aussi précise que possible du processus de production. La Dr. Anke Wagner, également chercheuse au département Bioverfahrenstechnik, utilise le laboratoire du futur pour la production de protéines, qui seront ensuite utilisées pour fabriquer des substances bioactives. Ces substances bioactives sont par exemple des agents antiviraux ou des médicaments contre le cancer. « La synthèse biologique de nouvelles substances nécessite des biocatalyseurs innovants. Dans le laboratoire du futur, la production d’un grand nombre de biocatalyseurs peut être réalisée en très peu de temps. De nombreux paramètres du processus peuvent être surveillés et constamment optimisés », explique Anke Wagner. De plus, le laboratoire du futur permet d’identifier de nouvelles activités enzymatiques à partir de centaines de protéines innovantes dont la fonction n’est pas encore précisément connue.

« Avec le projet de recherche « AutoBio », lancé en 2012, nous avons commencé nos recherches pour la création du « Lab du futur ». À l’époque, aucune installation, approche ou travail ne permettait d’intégrer et d’automatiser toutes les étapes du développement de bioprocédés pour la fabrication de produits biotechnologiques innovants, comme par exemple des enzymes utilisées à des fins thérapeutiques. Notre approche est nouvelle et unique au monde. Après quatre ans de recherche, nous avons maintenant, dans le cadre des projets européens « LeanProt » et « BioRapid », apporté la première preuve que la digitalisation et l’automatisation complètes en bioverfahrenstechnik sont possibles », déclare le Prof. Dr. Peter Neubauer.