Egy laboratórium emberek nélkül

Az KIWI Biolabban, amely a világ egyik vezető laboratóriuma a bioprocesszusok fejlesztésében, egy beépített 48-bioreaktoros rendszer kerül alkalmazásra egy laborrobotban, amely lehetővé teszi a biológiai folyamatok párhuzamos kultiválását és automatizált megfigyelését ellenőrzött körülmények között.

Ez egy kicsit olyan, mint a tudományos-fantasztikus filmek: Egy labor, amely képes nagyrészt önállóan megtervezni, végrehajtani és értékelni a kísérleteit. Olyan robotok működnek benne, amelyeket számítógépek és Mesterséges Intelligencia (MI) irányítanak, és a legmodernebb elemzőeszközökkel dolgoznak együtt. És ahol már nincs szükség arra, hogy az emberek éjszakákat dolgozzanak cellák etetésével és a kísérletek fenntartásával. Pontosan ez vált valóra a TU Berlin KIWI Biolaborjában. A teljesen automatizált high-tech labor fejlesztői a jövőben tudásukat a TU Berlin és a Charité – Universitätsmedizin Berlin közös kutatóközpontjában, a „Szimulált Ember” (Si-M) projektben is felhasználják.

„Mindig is érdekelt, hogyan lehet a lehető leggyorsabban átültetni az új biológiai folyamatokat a gyakorlatba” – mondja Prof. Dr. Peter Neubauer, aki a TU Berlin Biofeldolgozási Technológia tanszékét vezeti. A KIWI Biolabor társalapítója és vezetője mikrobiológus végzettségű. Ezért elsősorban olyan kérdéseket tett fel, amelyek a baktériumokra, élesztőkre és gombákra vonatkoznak: hogyan lehet ezeket a szervezeteket a legjobban tartani bioreaktorokban? Olyan módon, hogy ne csak szaporodjanak és jól fejlődjenek, hanem értékes anyagokat, például speciális fehérjéket termeljenek a gyógyszeripar számára?

Ennek a kérdésnek a megválaszolása minden, csak nem egyszerű feladat. Mert ezek a kis gyárak gyakran nagyon érzékenyen reagálnak a környezetükre. Egy laboratóriumi próbában, milliliteres léptékben, jól viselkedhetnek. Ez azonban nem feltétlenül jelenti azt, hogy ugyanígy viselkednének egy bioreaktorban, amelynek tartalma néhány száz köbméter. Ezért ipari felhasználás előtt meg kell találni, hogy milyen körülmények között végzik el a szervezetek a kívánt feladatot a legjobban.

Automatizált munka a laborban

Modellezések nyújthatnak iránymutatást ehhez. Milyen gyorsan nő egy szervezet? Mennyit fogyaszt közben az anyagból? Ezeket és sok más paramétert foglal össze Peter Neubauer és csapata matematikai képletekben. A számítógépen össze lehet hasonlítani, hogy különböző folyamatvariánsok hogyan alakulnak, és melyik eredményez a legjobb eredményeket.

„Ezeket a matematikai modelleket robotokkal és elemzőeszközökkel is összekapcsolhatjuk” – magyarázza Peter Neubauer. Így a laborban végzett munka digitálisan szervezhető és automatizálható. Egy robot például bizonyos időközönként néhány milliliter folyadékot szív ki a bioreaktorból. Egy másik, mozgó kollégája ezután a mintát egy mérőeszközhöz szállítja, amely elemzi annak tulajdonságait. Ahhoz, hogy ez működjön, a technikai segédmunkásoknak össze kell hangolniuk munkájukat, hogy mindenki a megfelelő pillanatban a megfelelő dolgot tegye. „Ehhez kiterjedt számítógépes programokra van szükség” – mondja Peter Neubauer.

Extrém érdekesség a gyógyszeripar számára

De megéri a befektetés. A KIWI Biolabor mára a világ egyik vezető laboratóriumává vált a bioprocesszek fejlesztésében. A matematikai modellek és a Mesterséges Intelligencia alkalmazásával ott még összetettebb kísérletek is teljesen automatizáltan végezhetők. Az MI például eldönti, mikor érdemes mintát venni, és elindítja a szükséges lépéseket. Gondoskodik arról, hogy a szervezetek a bioreaktorban ne szenvedjenek hiányt semmiben, automatikusan tartja a hőmérsékletet, pH-értéket és más befolyásoló tényezőket az optimális tartományban. Ezáltal a folyamat úgy irányítható, hogy a lehető legnagyobb hozamot vagy a kívánt termék bizonyos minőségét érje el. Még akkor is felismeri, ha egy kísérlet nem jól halad, így azt meg lehet szakítani, újra lehet futtatni vagy módosítani.

„Ez például a gyógyszeripar számára rendkívül érdekes” – mondja Peter Neubauer. Érdemes-e egy új terméket a laborból a gyakorlatba vinni? Melyik a legígéretesebb a több lehetőség közül? És hogyan néz ki később a gyártási folyamat optimális módja? Ezekre a kérdésekre a KIWI Biolaborban sokkal gyorsabban és hatékonyabban lehet választ találni, mint egy hagyományos laborban.”

Adatpiac a biotechnológiai szektor számára

Nem csoda, hogy Peter Neubauer és csapata sok projektben működik együtt gyógyszeripari cégekkel. „Egy új gyógyszer fejlesztése átlagosan 2,5 milliárd dollárba kerül, és tíz-tizenöt évig tart” – mondja a kutató. Minden feleslegessé vált kísérlet, minden megtakarított nap egyaránt hasznos a páciensek és a cégek számára.

Az ipar új kihívást támasztott a TU csoport felé is. „Eddig főként olyan folyamatokkal foglalkoztunk, amelyekben mikroorganizmusok játszanak szerepet” – magyarázza Peter Neubauer. „De nagy az érdeklődés hasonló eljárások iránt a sejtkultúrák esetében is.” Pont ezt fogja kutatócsoportja a jövőben a Si-M kutatóközpontban, ahol a TU Berlin és a Charité együttműködik.

Másik fő terület lesz egy adatpiac fejlesztése a biotechnológiai szektor számára: Milyen információkat kell rögzíteni egy kísérlet során, hogy az reprodukálható legyen? Hogyan kell az adatokat bemutatni és másoknak elérhetővé tenni, hogy azok megértsék és felhasználják? Ezekben a kérdésekben is sok tapasztalatot szereztek az elmúlt évek során a csapat tagjai.

„Szerintem mi nem vagyunk a Si-M magcsoportja” – mondja a tudós. Ezért csak egy kis részük fog fokozatosan áttelepülni az új kutatóközpontba. „Azonban a mi szakértelmünk sok csoport számára érdekes lehet, akik ott dolgoznak.” Mert a robotok és a MI a jövőben egyre fontosabb szerepet töltenek majd be más laboratóriumokban is. És hogy ezek a technikai segédmunkások valóban azt tegyék, amit kell, még sok munka vár Peter Neubauer és csapata elé.

A Szimulált Ember (Si-M) Kutatóközpont

2026. április 22-én, négy évvel az alapító kőletétel után, megnyílnak a „Szimulált Ember” öt emeletes kutatóépületének kapui. Berlin-Weddingben a campuson a jövőben orvosok, természettudósok és mérnökök szorosan együtt fognak dolgozni a TU Berlin és a Charité – Universitätsmedizin Berlin több tudományterületéről, hogy új terápiás és diagnosztikai módszereket fejlesszenek ki a betegségek kezelésére. A bioanalitika, az organoid-technológia és a sejtmérés módszerei, valamint az egyedi sejtek genetikai vizsgálata, bioinformatika, automatizálás és orvosi technológia szorosan összefonódnak más szakágakkal és kiválósági központokkal. Az emberi sejtekből készült, a chipre illő mini- szervek helyettesíthetik az állatkísérleteket; a fehérjék egymással kölcsönhatásban lévő összekapcsolásával eddig ismeretlen folyamatokat lehet majd láthatóvá tenni a sejtekben.

Az építészetileg is már a tervezés során megtervezték az integrált munkakörnyezetet és a nyilvánossággal való kommunikációt: a fényárban úszó központi atriumban kávézó és kerek előadóterem található, egy impozáns nyitott lépcsőház vezet fel a magasba. Innen érhetők el a tágas laboratóriumok, amelyek tele vannak nagy technológiával, például tömegspektrometriával, bioprintinggel, lézerszkennelő mikroszkóppal és más eszközökkel.

További információk:

A Gyógyszerészeti Biotechnológia tanszék a jövőben a „Szimulált Ember” új berlini kutatóközpontjában is képviselteti magát organoid-kutatásával. Olvassa el, miről szól Prof. Dr. Sina Bartfeld kutatása.