Un laboratoire sans personnes

Chez KIWI Biolab, l'un des laboratoires leader mondiaux dans le développement de bioprocédés, un système de 48 bioréacteurs intégré à un robot de laboratoire est utilisé, permettant la culture parallèle et la surveillance automatisée des processus biologiques dans des conditions contrôlées.

Ça ressemble un peu à de la science-fiction : un laboratoire capable de planifier, réaliser et analyser ses expériences de manière autonome. Dans lequel des robots contrôlés par ordinateur et intelligence artificielle (IA) collaborent avec des équipements d’analyse de pointe. Et dans lequel plus aucun humain n’a à passer ses nuits à nourrir des cellules et à maintenir les expériences en marche. C’est précisément ce qui est devenu réalité au laboratoire biotechnologique KIWI à l’UT Berlin. Les développeurs du laboratoire high-tech entièrement automatisé mettront désormais leur savoir-faire à disposition dans le nouveau centre de recherche « L’Homme Simulé » (Si-M) de l’UT Berlin et de la Charité – Médecine universitaire de Berlin.

« J’ai toujours été intéressé par la manière de faire passer rapidement de nouveaux processus biologiques du laboratoire à la pratique », explique le Prof. Dr. Peter Neubauer, qui dirige le département de biotechnologie à l’UT Berlin. Co-fondateur et responsable du laboratoire biotechnologique KIWI, il est microbiologiste de formation. Il s’est donc d’abord posé ces questions principalement en ce qui concerne les bactéries, levures et champignons : comment maintenir au mieux ces organismes dans des bioréacteurs ? Et ce, de manière à ce qu’ils ne se contentent pas de se multiplier et de prospérer, mais aussi à produire des substances précieuses comme des protéines spécifiques pour l’industrie pharmaceutique ?

Trouver une réponse à cette question est tout sauf simple. Car ces petits fabricants réagissent souvent très fortement à leur environnement. Dans une expérience en laboratoire à l’échelle du millilitre, ils peuvent se comporter parfaitement. Mais cela ne veut pas dire qu’ils se comporteront de la même manière dans un bioréacteur de plusieurs centaines de mètres cubes. Avant une utilisation industrielle, il faut donc déterminer dans quelles conditions quels organismes peuvent réaliser la tâche souhaitée de la meilleure façon.

Travail automatisé en laboratoire

Des indications peuvent être fournies par des calculs de modélisation. À quelle vitesse un organisme croît-il ? Combien de substrat consomme-t-il ? Ces paramètres et bien d’autres sont regroupés par Peter Neubauer et son équipe dans des formules mathématiques. Sur ordinateur, il est alors possible de comparer comment différentes variantes d’un processus se déroulent et lesquelles donnent les meilleurs résultats.

« Nous pouvons aussi relier ces modèles mathématiques à des robots et des équipements d’analyse », explique Peter Neubauer. De cette façon, le travail en laboratoire peut être organisé et automatisé numériquement. Un type de robot aspire par exemple, à des moments précis, quelques millilitres de liquide du bioréacteur. Un de ses collègues mobiles transporte ensuite l’échantillon vers un appareil de mesure qui analyse ses propriétés. Pour que cela fonctionne, les assistants techniques doivent coordonner leur travail de manière à ce que chacun fasse la bonne chose au bon moment. « Pour cela, nous avons besoin de programmes informatiques complexes », indique Peter Neubauer.

Extrêmement intéressant pour l’industrie pharmaceutique

Mais l’effort en vaut la peine. Le laboratoire biotechnologique KIWI fait désormais partie des laboratoires mondiaux leaders dans le développement de processus biotechnologiques. Grâce à l’utilisation de modèles mathématiques et d’intelligence artificielle, il est possible d’y réaliser des expériences complexes de manière entièrement automatisée. L’IA décide par exemple quand il est judicieux de prélever un échantillon et lance les étapes nécessaires. Elle veille à ce que les organismes dans le bioréacteur ne manquent de rien, maintient automatiquement la température, le pH et d’autres paramètres dans la plage optimale. Elle contrôle ainsi le processus pour qu’il produise un rendement maximal ou une certaine qualité du produit souhaité. Elle détecte même quand une expérience ne se déroule pas bien, afin qu’elle soit arrêtée, répétée ou modifiée.

« Tout cela est par exemple extrêmement intéressant pour l’industrie pharmaceutique », dit Peter Neubauer. Est-il utile de passer d’un laboratoire à l’application avec un nouveau produit ? Lequel parmi plusieurs candidats est le plus prometteur ? Et à quoi ressemblera le processus optimal de production ? De telles questions peuvent être répondues beaucoup plus rapidement et efficacement dans le laboratoire KIWI qu’en laboratoire traditionnel.

Place de marché de données pour le secteur biotechnologique

Il n’est donc pas étonnant que Peter Neubauer et son équipe collaborent à de nombreux projets avec des fabricants de médicaments. « Le développement d’un nouveau médicament coûte en moyenne 2,5 milliards de dollars américains et dure entre dix et quinze ans », explique le chercheur. Chaque expérience superflue, chaque jour économisé profite donc autant aux patients qu’aux entreprises.

Une nouvelle exigence a également été formulée à l’UT par l’industrie. « Jusqu’à présent, nous nous sommes surtout concentrés sur des processus impliquant des micro-organismes », explique Peter Neubauer. « Mais il existe aussi un grand intérêt pour des procédés similaires appliqués aux cultures cellulaires. » C’est précisément ce que son groupe de travail abordera à l’avenir dans le centre de recherche Si-M, dans le cadre de la coopération entre l’UT Berlin et la Charité – Médecine universitaire de Berlin.

Un autre axe sera le développement d’une place de marché de données pour le secteur biotechnologique : quelles informations doivent être recueillies lors d’une expérience pour qu’elle puisse être reproduite ? Comment doit-on présenter et proposer ces données pour que d’autres puissent les comprendre et les utiliser ? Au fil des années, l’équipe a accumulé beaucoup d’expérience dans ces questions également.

« De mon point de vue, nous ne sommes pas un groupe central au Si-M », précise le scientifique. « C’est pourquoi seul un petit nombre de nos membres déménagera progressivement dans le nouveau centre de recherche. » Mais « nos compétences intéressent de nombreux groupes qui y travaillent. » Car robots et IA devraient jouer un rôle de plus en plus important dans d’autres laboratoires à l’avenir. Et pour que ces assistants techniques fonctionnent comme prévu, il reste encore beaucoup de travail pour Peter Neubauer et son équipe.

Le centre de recherche L’Homme Simulé (Si-M)

Le 22 avril 2026, quatre ans après la pose de la première pierre, les portes du bâtiment de recherche de cinq étages « L’Homme Simulé » s’ouvriront. Sur le campus de Berlin-Wedding, médecins, scientifiques en sciences naturelles et ingénieurs issus de nombreuses disciplines de l’UT Berlin et de la Charité – Médecine universitaire de Berlin collaboreront étroitement pour développer de nouvelles approches thérapeutiques et diagnostiques pour les maladies. La bioanalyse, les technologies d’organoïdes et les méthodes de mesure cellulaire, la génétique à l’échelle de la cellule, la bioinformatique, l’automatisation et la technologie médicale, souvent en lien avec d’autres disciplines et clusters d’excellence. Des mini-organes artificiels issus de cellules humaines, pouvant tenir sur une puce, devraient remplacer les expérimentations animales ; en assemblant des protéines interagissant entre elles, des processus jusque-là inconnus dans les cellules pourront être rendus visibles.

Déjà architecturalement, le bâtiment du Si-M est conçu pour favoriser une atmosphère de travail intégrée et un dialogue prévu avec le public : dans l’atrium lumineux, avec un café et une salle de conférences ronde, s’élève de manière imposante un escalier ouvert. Il mène aux vastes laboratoires équipés de technologies de pointe telles que la spectrométrie de masse, l’impression 3D d’organes, la microscopie à balayage laser et d’autres.

Informations complémentaires :

Le département de biotechnologie médicale, avec ses recherches sur les organoïdes, sera également représenté dans le nouveau centre de recherche berlinois « L’Homme Simulé ». Découvrez ici en quoi consiste la recherche du Prof. Dr. Sina Bartfeld.