48 Kísérlet egyidejűleg

Az „Jövő laboratóriuma“ során a bioreaktorokat különböző anyagokkal teljesen automatikusan töltik meg egy előre meghatározott mintázat szerint. (© TU Berlin/PR/Felix Noak)

Az „Jövő laboratóriuma“ 48 kísérletet képes egyidejűleg elvégezni. (© TU Berlin/PR/Felix Noak)

Laborvezető Florian Glauche egy mintatartót használ oldatokkal, amelyeket a bioreaktorokba töltenek. (© TU Berlin/PR/Felix Noak)

Robotkar a minták tartóinak betöltéséhez és tárolásához, valamint mérőeszköz az automatikus értékeléshez folyamatban lévő kísérletekhez (jobbra). (© TU Berlin/PR/Felix Noak)

Robotkar az minták különböző tartóinak betöltéséhez és tárolásához. 48 kísérlet végezhető egyszerre a „Jövő laborjában”. (© TU Berlin/PR/Felix Noak)

Az „Jövő laboratóriuma” a Biofeldmérnöki szakterületen jelentősen rövidíteni kívánja a gyógyszerek és egyéb biológiai termékek gyártási idejét, valamint drasztikusan csökkenteni a költségeket. Ez a teljes folyamat digitalizációjának köszönhető.

Az új folyamatok kifejlesztése antibiotikumok vagy rákgyógyszerek gyártására hosszadalmas és költséges. „Ma tíz-tizenöt év telik el, mire egy új termék piacra kerül, és milliárdos befektetések nem ritkák” – mondja Prof. Dr. Peter Neubauer, a Biofeldmérnöki szakterület vezetője. Ezért fejlesztett ki egy laboratóriumot, ahol a fejlesztési időket drasztikusan csökkenteni és ezáltal a költségeket extrém módon mérsékelni kívánja. A cél felé vezető út: az innovatív biotermék fejlesztési folyamatait teljes mértékben automatizálni. A manuálisan végzett laboratóriumi munkákat, beleértve a kísérletek manuális tervezését és kiértékelését, a múlté kell, hogy legyen. A „Jövő laboratóriuma” Berlin-Weddingben, az Ackerstraße-n található a TU campusán.

A labor központi elemei jelenleg két robot: egy a teljes analitikáért felelős, a másik a sejtkultúrák gondozásáért. Ez a robot egy minibioreaktor rendszert tartalmaz 48 kultúrázóedénnyel, amelyekhez külön-külön beállíthatóak a kultiválási feltételek. Így 48 egymástól független kísérlet futtatható egyszerre. A kultiválás és az analitika a „Jövő laboratóriuma” nemcsak a jövő része, hanem már jelen is.

A „Jövő laboratóriumában” zajló folyamat forradalmasítja a bioprocesstechnológiát. Bár a robotokat már ma is alkalmazzák laboratóriumokban, ezek általában csak egy-egy folyamatlépést képesek kezelni. Vagy sejtkultúrákat tudnak gondozni vagy sejtkárosítást végeznek az összetevők kinyerése érdekében, vagy mintákat analizálnak. Peter Neubauer csapatának megközelítése az, hogy ezeket a lépéseket egy robotba integrálják, és intelligens számítógépes rendszerek irányítják.

Így Dr.-Ing. M. Nicolas Cruz Bournazou, a Számítógépes Bioprocessz Fejlesztés csoportvezetője, és Dipl.-Ing. Florian Glauche, a Jövő Laboratórium vezetője, 2012 óta fejlesztenek eszközöket, amelyek jobban kihasználják az automatizálási technológia lehetőségeit. Elsődleges céljuk, hogy elmozduljanak a hagyományos kísérlettervezés, végrehajtás és kiértékelés módszereitől, és jobban kihasználják a számítógép és a robot közötti együttműködés lehetőségeit. A sejtkultúrák tenyésztése és elemzése robottechnikával az iparban rutinszerű feladat, de ezek a kísérletek csupán végponti méréseket tartalmaznak. M. Nicolas Cruz Bournazou és Florian Glauche több információt szeretnének szerezni az egyes kísérletekből, hogy matematikailag le tudják írni a sejtnövekedést és a kívánt termék szintézisét. Ehhez egy folyamatos mérőeszközt alkalmaznak a sejtnövekedés, az oxigénkoncentráció és a pH-érték mérésére a kísérlet során. A kísérlet irányítására és kiértékelésére egy hálózatot fejlesztettek ki programokból, amely a futás közben értékeli az adatokat, egy matematikai modellt illeszt rá, és utasításokat ad a robotoknak a következő időszakra. Így egy kísérlet teljesen más eredményt hozhat a futás ideje alatt, mint amit eredetileg terveztek. Ez lehetővé teszi a lehető legtöbb információ megszerzését, és ezáltal a gyártási folyamat lehető legpontosabb matematikai leírását.

Dr. Anke Wagner, a Biofeldmérnöki szakterület tudományos munkatársa, a jövő laboratóriumot a fehérjék gyártására használja, amelyeket később bioaktív anyagok, például antivirális szerek vagy rákgyógyszerek előállítására alkalmaznak. „A bioaktív anyagok új szintézise új biokatalizátorokat igényel. A jövő laboratóriumban nagy számú biokatalizátor gyártása rövid idő alatt lehetséges. Számos paramétert folyamatosan figyelemmel kísérhetünk és optimalizálhatunk” – mondja Wagner. Emellett a jövő laboratórium lehetővé teszi új enzimgátlások azonosítását századokra új fehérjékből, amelyek funkciója még nem teljesen ismert.

„Az „AutoBio” kutatási projekttel 2012-ben kezdtük kutatásainkat a „Jövő laboratóriuma” felépítésén. Akkor még nem léteztek olyan berendezések, megközelítések vagy munkák, amelyek lehetővé tették az összes lépés integrálását és automatizálását a bioprocesszek fejlesztésében, például az enzimek gyártásában, amelyek terápiás célokra használhatók. A megközelítésünk új és világszerte egyedi. Négy év kutatás után most az EU-s „LeanProt” és „BioRapid” projektekben elsőként bizonyítottuk be a „Jövő laboratóriuma” segítségével, hogy a teljes digitalizáció és automatizálás a bioprocesstechnológiában lehetséges” – mondja Prof. Dr. Peter Neubauer.