48 Esperimenti contemporaneamente

Nel "Labor del futuro" il riempimento dei bioreattori con diverse sostanze avviene automaticamente secondo uno schema prestabilito. (© TU Berlin/PR/Felix Noak)

Nel "Laboratorio del futuro" è possibile eseguire 48 esperimenti contemporaneamente. (© TU Berlin/PR/Felix Noak)

Responsabile di laboratorio Florian Glauche utilizza un portaprova con soluzioni, che vengono riempite nei bioreattori. (© TU Berlin/PR/Felix Noak)

Braccio robotico per il caricamento e lo stoccaggio di diversi supporti di campionamento e strumenti di misurazione per l'analisi completamente automatica degli esperimenti in corso (a destra). (© TU Berlin/PR/Felix Noak)

Braccio robotico per il prelievo e lo stoccaggio di diverse pinze di campioni. 48 esperimenti possono essere eseguiti contemporaneamente nel "Lab del futuro". (© TU Berlin/PR/Felix Noak)

Nel "Lab del futuro" dell'ambito di Bioverfahrenstechnik si mira a ridurre drasticamente i tempi di sviluppo per la produzione di farmaci e altri prodotti biologici, e a ridurre estremamente i costi. Ciò diventa possibile grazie alla digitalizzazione completa dei processi. 

Lo sviluppo di nuovi processi per la produzione di antibiotici o farmaci contro il cancro è lungo e costoso. "Oggi passano dieci fino a quindici anni prima che un nuovo prodotto sia sul mercato, e investimenti miliardari non sono rari", afferma il Prof. Dr. Peter Neubauer, responsabile del settore di Bioverfahrenstechnik. Per questo ha sviluppato un laboratorio in cui vuole ridurre drasticamente i tempi di sviluppo e quindi abbassare i costi. La strada verso questo obiettivo: i processi di sviluppo di un bio-prodotto innovativo vengono completamente automatizzati. Le attività di laboratorio svolte manualmente, anche la pianificazione e l'analisi manuale degli esperimenti, dovrebbero appartenere al passato. Il "Lab of the future" si trova nel campus TU in Ackerstraße a Berlino-Wedding. 

Il cuore del laboratorio sono attualmente due robot: uno è responsabile di tutta l'analisi, l'altro si occupa della coltivazione delle cellule. Questo robot contiene un sistema di bioreattori in miniatura con 48 recipienti di coltura, per i quali le condizioni di coltura possono essere impostate singolarmente. In questo modo sono possibili 48 esperimenti indipendenti contemporaneamente. La coltivazione e l'analisi nel "Lab of the future" non sono più separate nel tempo. 

Ciò che avviene nel "Lab of the future" rivoluziona la bioprozesstechnologia. Sebbene i robot siano già oggi impiegati nei laboratori, di solito "gestiscono" solo un passo del processo. Possono coltivare o distruggere cellule per estrarne componenti, oppure analizzare campioni. L'approccio del team di Peter Neubauer è di integrare tutti questi passaggi in un robot e di controllarlo tramite sistemi informatici intelligenti.

Così, dal 2012, il Dr.-Ing. M. Nicolas Cruz Bournazou, responsabile del gruppo di sviluppo di bioprocessi assistiti da computer, e il Dipl.-Ing. Florian Glauche, responsabile del Future Lab, sviluppano strumenti che sfruttano meglio il potenziale della tecnologia di automazione. Per loro, si tratta principalmente di allontanarsi dal metodo classico di pianificazione, esecuzione e analisi degli esperimenti, e di sfruttare meglio le possibilità di interazione tra computer e robot. La coltivazione e l'analisi di colture cellulari tramite robotica sono routine nell'industria, ma questi esperimenti includono solo misurazioni di endpoint. Nicolas Cruz Bournazou e Florian Glauche vogliono ottenere più informazioni dagli esperimenti singoli, per poter descrivere matematicamente la crescita delle cellule e la sintesi del prodotto desiderato. Per questo, misurano continuamente durante un esperimento la crescita cellulare, la concentrazione di ossigeno e il pH della coltura. Per il controllo e l'analisi dell'esperimento, hanno sviluppato una rete di programmi che valuta i dati disponibili durante l'esecuzione, adatta un modello matematico e invia istruzioni ai robot per il prossimo intervallo di tempo. Un esperimento può così evolversi completamente in modo diverso rispetto a quanto pianificato all'inizio. Ciò permette di ottenere il massimo di informazioni e di avere una descrizione matematica il più precisa possibile del processo di produzione. La Dott.ssa Anke Wagner, anch'essa ricercatrice nel settore di Bioverfahrenstechnik, utilizza il Future Lab per la produzione di proteine, che vengono poi impiegate nella produzione di sostanze bioattive. Le sostanze bioattive sono, ad esempio, principi attivi antivirali o farmaci contro il cancro. "La sintesi biologica di principi attivi innovativi richiede biocatalizzatori innovativi. Nel Future Lab, è possibile produrre un gran numero di biocatalizzatori in tempi molto brevi. Numerosi parametri del processo possono essere monitorati e continuamente ottimizzati", afferma Wagner. Inoltre, il Future Lab permette di identificare nuove attività enzimatiche da centinaia di proteine innovative, la cui funzione non è ancora nota esattamente.

"Con il progetto di ricerca 'AutoBio' abbiamo iniziato nel 2012 le nostre ricerche sulla creazione del 'Lab of the future'. All'epoca non esistevano impianti, approcci o lavori che permettessero un'integrazione e automazione di tutti i passaggi nello sviluppo di bioprocessi per la produzione di bio-prodotto innovativi, come enzimi usati a scopi terapeutici. Il nostro approccio è nuovo e unico al mondo. Dopo quattro anni di ricerca, abbiamo ora, nei progetti UE 'LeanProt' e 'BioRapid', con il nostro 'Lab of the Future', fornito una prima prova che una digitalizzazione e automazione complete nella bioverfahrenstechnik sono possibili", afferma il Prof. Dr. Peter Neubauer.