Un laboratorio senza persone

Im KIWI Biolab, uno dei laboratori leader a livello mondiale nello sviluppo di bioprocessi, viene utilizzato un sistema di 48 bioreattori integrato in un robot da laboratorio, che consente la coltivazione parallela e il monitoraggio automatizzato dei processi biologici in condizioni controllate.

Sembra un po' di fantascienza: un laboratorio che può pianificare, eseguire e valutare i propri esperimenti in modo autonomo. In cui robot controllati da computer e intelligenza artificiale (IA) collaborano con strumenti di analisi all'avanguardia. E in cui nessun essere umano deve più passare le notti a dare da mangiare alle cellule e a mantenere in funzione le prove. Proprio questo è diventato realtà nel Biolab KIWI presso il TU di Berlino. Gli sviluppatori del laboratorio high-tech completamente automatizzato condivideranno le loro competenze anche nel nuovo centro di ricerca "L'Uomo Simulato" (Si-M) del TU di Berlino e della Charité – Universitätsmedizin Berlin.

«Mi ha sempre interessato come si possano portare rapidamente in pratica nuovi processi biologici», dice il Prof. Dr. Peter Neubauer, che dirige il dipartimento di Bioverfahrenstechnik presso il TU di Berlino. Co-fondatore e responsabile del Biolab KIWI, Neubauer è microbiologo di formazione. Quindi si è inizialmente posto domande soprattutto riguardo a batteri, lieviti e funghi: come mantenere al meglio questi organismi in bioreattori? E in modo che non solo si riproducano e prosperino, ma producano anche sostanze preziose come proteine specifiche per l'industria farmaceutica?

Rispondere a questa domanda è tutt'altro che facile. Perché i piccoli produttori reagiscono spesso molto fortemente all'ambiente. In un esperimento di laboratorio su scala millilitri, possono comportarsi perfettamente. Ma questo non significa che facciano lo stesso in un bioreattore con qualche centinaio di metri cubi di contenuto. Prima di un utilizzo industriale, bisogna quindi scoprire in quali condizioni gli organismi possano svolgere al meglio il loro compito desiderato.

Lavoro automatizzato in laboratorio

Indizi possono essere forniti da modelli di calcolo. Quanto velocemente cresce un organismo? Quanta substrato consuma? Questi e molti altri parametri sono riassunti da Neubauer e dal suo team in formule matematiche. Sul computer si può quindi confrontare come si svolgono diverse varianti di un processo e quale di esse produca i migliori risultati.

«Tali modelli matematici possiamo anche collegarli a robot e strumenti di analisi», spiega Neubauer. In questo modo, il lavoro in laboratorio può essere organizzato e automatizzato digitalmente. Un tipo di robot aspira, ad esempio, a orari stabiliti, alcuni millilitri di liquido dal bioreattore. Uno dei suoi colleghi mobili trasporta poi il campione a uno strumento di misurazione che analizza le sue caratteristiche. Per far sì che tutto funzioni, gli assistenti tecnici devono coordinare il loro lavoro in modo che ognuno faccia la cosa giusta al momento giusto. «Per questo abbiamo bisogno di programmi informatici complessi», dice Neubauer.

Estremamente interessante per l'industria farmaceutica

Ma lo sforzo ne vale la pena. Il Biolab KIWI è ormai uno dei laboratori leader mondiali nello sviluppo di bioprocessi. Grazie all'uso di modelli matematici e intelligenza artificiale, anche esperimenti complessi possono essere eseguiti in modo completamente automatizzato. L'IA decide, ad esempio, quando è opportuno prelevare un campione e avvia i passaggi necessari. Si assicura che gli organismi nel bioreattore non manchino di nulla, mantiene automaticamente temperatura, pH e altri parametri nel range ottimale. In questo modo, controlla il processo affinché produca una resa massima o una determinata qualità del prodotto desiderato. Riconosce anche quando un esperimento non procede bene, in modo che possa essere interrotto, ripetuto o modificato.

«Tutto ciò è estremamente interessante, ad esempio, per l'industria farmaceutica», afferma Neubauer. Conviene passare dal laboratorio all'applicazione di un nuovo prodotto? Quale tra diversi candidati è il più promettente? E come sarà il processo ottimale di produzione in futuro? Queste domande possono essere risposte molto più rapidamente ed efficientemente nel Biolab KIWI rispetto a un laboratorio tradizionale.

Piattaforma di dati per il settore biotecnologico

Non sorprende quindi che Neubauer e il suo team collaborino con molti produttori di farmaci in vari progetti. «Lo sviluppo di un nuovo medicinale costa in media 2,5 miliardi di dollari e richiede dai dieci ai quindici anni», dice il ricercatore. Ogni esperimento superfluo e ogni giorno risparmiato aiutano pazienti e aziende allo stesso modo.

Un'altra sfida è stata portata al gruppo del TU dall'industria. «Finora ci siamo occupati principalmente di processi in cui giocano un ruolo i microrganismi», spiega Neubauer. «Ma c'è anche un grande interesse per procedure simili per le colture cellulari». Con questo si occuperà in futuro il suo gruppo di lavoro nel centro di ricerca Si-M, in cui TU Berlino e Charité – Universitätsmedizin Berlin collaborano.

Un altro focus sarà lo sviluppo di una piattaforma di dati per il settore biotecnologico: quali informazioni devono essere raccolte durante un esperimento per poterlo riprodurre? Come devono essere presentati e condivisi i dati affinché altri possano comprenderli e utilizzarli? Anche su queste domande il team ha accumulato molta esperienza nel corso degli anni.

«Da un mio punto di vista, non siamo un gruppo principale al Si-M», ammette lo scienziato. Per questo, solo una piccola parte del suo team si trasferirà gradualmente nel nuovo centro di ricerca. «Le nostre competenze sono però interessanti per molte altre squadre che vi lavorano». Perché robot e IA probabilmente giocheranno un ruolo sempre più importante anche in altri laboratori in futuro. E affinché gli assistenti tecnici funzionino come devono, c’è ancora molto lavoro da fare per Neubauer e il suo team.

Il centro di ricerca "L'Uomo Simulato" (Si-M)

Il 22 aprile 2026, a quattro anni dalla posa della prima pietra, si apriranno le porte del complesso di cinque piani "L'Uomo Simulato". Nel campus di Berlino-Wedding, medici, scienziati naturali e ingegneristici di molte discipline del TU di Berlino e della Charité – Universitätsmedizin Berlin collaboreranno strettamente per sviluppare nuovi approcci terapeutici e diagnostici per le malattie. Bioanalisi, tecnologie di organoide e metodi di misurazione cellulare sono coinvolti, insieme a genetica a singola cellula, bioinformatica, automazione e tecnologia medica, spesso intrecciati con altri campi e cluster di eccellenza. Mini-organi artificiali di cellule umane, che si adattano a un chip, dovrebbero sostituire i test sugli animali; attraverso l'assemblaggio di proteine interagenti, si vogliono rendere visibili processi cellulari finora sconosciuti.

Già dal punto di vista architettonico, l'edificio Si-M è progettato per favorire un'atmosfera di lavoro integrata e un dialogo con il pubblico: nell'atrio centrale luminoso, con caffè e sala conferenze rotonda, si erge imponente una scala aperta che sale verso l'alto. Porta ai laboratori spaziosi, pieni di tecnologia avanzata come spettrometria di massa, bioprinting, microscopia a scansione laser e altro ancora.

Ulteriori informazioni:

Il dipartimento di Biotecnologia Medica, con la sua ricerca sugli organoidi, sarà rappresentato anche nel nuovo centro di ricerca berlinese "L'Uomo Simulato". Leggi qui di cosa si occupa la ricerca del Prof. Dr. Sina Bartfeld.