48 Experimenten tegelijk

In der „Lab of the future“ erfolgt das Befüllen der Bioreaktoren mit verschiedenen Substanzen vollautomatisch nach einem zuvor festgelegten Muster. (© TU Berlin/PR/Felix Noak)

In het "Lab of the future" kunnen 48 experimenten tegelijkertijd worden uitgevoerd. (© TU Berlin/PR/Felix Noak)

Laborleiter Florian Glauche zet een monsterhouder met oplossingen in, die in de bioreactoren worden gevuld. (© TU Berlin/PR/Felix Noak)

Robotarm voor het plaatsen en opslaan van verschillende monstershouders en meetinrichting voor het volledig automatische evalueren van lopende experimenten (rechts). (© TU Berlin/PR/Felix Noak)

Robotarm voor het dekken en opslaan van verschillende monstershouders. 48 experimenten kunnen gelijktijdig worden uitgevoerd in het "Lab of the future". (© TU Berlin/PR/Felix Noak)

In het „Lab of the future“ binnen het vakgebied Bioverfahrenstechnik moeten ontwikkeltijden voor de productie van medicijnen en andere biologische producten drastisch worden verkort en de kosten extreem worden verlaagd. Dit wordt mogelijk gemaakt door de volledige digitalisering van de processen. 

De ontwikkeling van nieuwe processen voor de productie van antibiotica of kankerremmende medicijnen is langdurig en kostbaar. „Tien tot vijftien jaar verstrijken tegenwoordig voordat een nieuw product op de markt is, en investeringen van miljarden euro's zijn geen uitzondering“, zegt Prof. Dr. Peter Neubauer, hoofd van het vakgebied Bioverfahrenstechnik. Hij heeft daarom een laboratorium ontwikkeld waarin hij de ontwikkeltijden drastisch wil verkorten en daarmee de kosten extreem wil verlagen. De weg naar dit doel: de processen voor de ontwikkeling van een innovatief bioproduct worden volledig geautomatiseerd. Handmatig uitgevoerde laboratoriumwerkzaamheden, zelfs de handmatige planning en evaluatie van experimenten, behoren tot het verleden. Het „Lab of the future“ bevindt zich op de TU-campus in de Ackerstraße in Berlijn-Wedding. 

Het hart van het laboratorium worden momenteel gevormd door twee robots: één is verantwoordelijk voor de volledige analyse, de andere verzorgt de kweek van de cellen. Deze robot bevat een mini-bioreactorensysteem met 48 kweekvaten, voor welke de kweekomstandigheden telkens afzonderlijk kunnen worden vastgesteld. Daarmee zijn 48 onafhankelijke experimenten gelijktijdig mogelijk. Kweek en analyse zijn in het „Lab of the future“ niet meer tijdsgebonden van elkaar gescheiden. 

Wat er in het „Lab of the future“ gebeurt, revolutioneert de bioprocesstechnologie. Hoewel robots tegenwoordig al in laboratoria worden ingezet, kunnen deze „meestal“ slechts één processtap uitvoeren. Of ze cultiveren cellen of vernietigen cellen om aan ingrediënten te komen, of ze analyseren monsters. Het uitgangspunt van het team van Peter Neubauer is om al deze stappen in één robot te integreren en deze te sturen met behulp van intelligente computersystemen.

Zo ontwikkelen Dr.-Ing. M. Nicolas Cruz Bournazou, groepsleider Computergestuurde Bioprocessontwikkeling, en Dipl.-Ing. Florian Glauche, leider van het Toekomstlaboratorium, sinds 2012 gereedschappen die het potentieel van automatiseringstechniek beter moeten benutten. Het is hun in de eerste plaats te doen om zich los te maken van de klassieke werkwijze van proefplanning, uitvoering en evaluatie, en de mogelijkheden van de samenwerking tussen computer en robot beter te benutten. Het kweken en analyseren van celkweken met robottechniek behoort in de industrie tot de routine, maar deze experimenten omvatten slechts eindpuntmetingen. M. Nicolas Cruz Bournazou en Florian Glauche willen meer informatie uit de afzonderlijke experimenten verkrijgen om de groei van de cellen en de synthese van het gewenste product wiskundig te kunnen beschrijven. Hiervoor meten ze tijdens een experiment continu de celgroei, de zuurstofconcentratie en de pH-waarde van de cultuur. Voor de besturing en evaluatie van het experiment hebben ze een netwerk van programma's ontwikkeld dat tijdens de proef de beschikbare gegevens analyseert, een wiskundig model aanpast en instructies doorgeeft aan de robots voor het volgende tijdsvenster. Een experiment kan zo tijdens de uitvoering een volledig andere verloop nemen dan aanvankelijk gepland. Dit maakt het mogelijk om de maximale hoeveelheid informatie te verkrijgen en daarmee een zo nauwkeurig mogelijk wiskundig model van het productieproces te krijgen. Dr. Anke Wagner, eveneens wetenschappelijk medewerker bij het vakgebied Bioverfahrenstechnik, gebruikt het toekomstlaboratorium voor de productie van eiwitten die vervolgens worden gebruikt voor de vervaardiging van bioactieve stoffen. Bioactieve stoffen zijn in dit geval bijvoorbeeld antivirale werkzame stoffen of kankerremmende medicijnen. „De biologische synthese van nieuwe werkzame stoffen vereist nieuwe biocatalysatoren. In het toekomstlaboratorium kan de productie van een groot aantal biocatalysatoren in zeer korte tijd plaatsvinden. Talrijke parameters van het proces kunnen worden bewaakt en voortdurend worden geoptimaliseerd“, aldus Anke Wagner. Bovendien maakt het toekomstlaboratorium de identificatie van nieuwe enzymactiviteiten uit honderden nieuwe eiwitten mogelijk, waarvan de functie momenteel nog niet precies bekend is.

„Met het onderzoeksproject ‚AutoBio’ zijn we in 2012 begonnen met ons onderzoek naar de opbouw van het „Lab of the future“. Er waren destijds geen installaties, benaderingen of werken die een integratie en automatisering van alle stappen bij de ontwikkeling van bioprocessen voor de productie van innovatieve bioproducten zoals bijvoorbeeld enzymen die voor therapeutische doeleinden worden ingezet, mogelijk maakten. Onze aanpak is nieuw en wereldwijd uniek. Na vier jaar onderzoek hebben we nu in de EU-projecten ‚LeanProt’ en ‚BioRapid’ met ons „Lab of the Future“ het eerste bewijs geleverd dat volledige digitalisering en automatisering in de bioverwerkingstechniek mogelijk is“, zegt Prof. Dr. Peter Neubauer.