Een laboratorium zonder mensen

In KIWI Biolab, een van 's werelds toonaangevende laboratoria voor de ontwikkeling van bioprocessen, wordt een geïntegreerd 48-bioreactor-systeem in een laboratoriumrobot ingezet, dat gelijktijdige cultivering en geautomatiseerde monitoring van biologische processen onder gecontroleerde omstandigheden mogelijk maakt.

Het klinkt een beetje als sciencefiction: een laboratorium dat zijn experimenten grotendeels zelfstandig kan plannen, uitvoeren en evalueren. Waar door computers en Kunstmatige Intelligentie (KI) aangestuurde robots samenwerken met geavanceerde analysemiddelen. En waarin niemand zich meer ’s nachts de oren uit hoeft te slapen om cellen te voeden en de experimenten draaiende te houden. Precies dat is echter werkelijkheid geworden in het KIWI Biolab aan de TU Berlin. De ontwikkelaars van het volledig geautomatiseerde hightech-laboratorium zullen hun knowhow in de toekomst ook inzetten in het nieuwe onderzoekscentrum ‘De Gesimuleerde Mens’ (Si-M) van de TU Berlin en de Charité – Universitätsmedizin Berlin.

„Ik ben altijd al geïnteresseerd geweest in hoe je nieuwe biologische processen zo snel mogelijk van het laboratorium naar de praktijk kunt brengen“, zegt Prof. Dr. Peter Neubauer, die aan de TU Berlin het vakgebied Bioverfahrenstechnik leidt. De medeoprichter en leider van het KIWI Biolab is een getrainde microbioloog. Dus stelde hij zich dergelijke vragen vooral met betrekking tot bacteriën, gisten en schimmels: Hoe kunnen zulke organismen het beste in bioreactoren worden gehouden? En wel zodanig dat ze zich niet alleen kunnen vermenigvuldigen en goed gedijen, maar ook waardevolle stoffen kunnen produceren, zoals speciale eiwitten voor de farmaceutische industrie?

Een antwoord daarop vinden, is allesbehalve eenvoudig. Want de kleine fabriekanten reageren vaak heel sterk op hun omgeving. In een laboratoriumexperiment op milliliter-schaal kunnen ze zich misschien perfect gedragen. Maar dat betekent niet automatisch dat ze dat ook doen in een bioreactor met enkele honderden kubieke meters inhoud. Voor industrieel gebruik moet daarom worden vastgesteld onder welke omstandigheden welke organismen de gewenste taak het beste kunnen uitvoeren.

Geautomatiseerd werken in het laboratorium

Hulpmiddelen daarvoor kunnen modelberekeningen bieden. Hoe snel groeit een organisme? Hoeveel substraat verbruikt het daarbij? Deze en vele andere parameters vatten Peter Neubauer en zijn team samen in wiskundige formules. In de computer kunnen vervolgens verschillende varianten van een proces worden vergeleken en bepaald welke de beste resultaten oplevert.

„Deze wiskundige modellen kunnen we ook koppelen aan robots en analysemiddelen“, legt Peter Neubauer uit. Op die manier kan het werk in het laboratorium digitaal worden georganiseerd en geautomatiseerd. Een type robot zuigt bijvoorbeeld op bepaalde tijden een paar milliliter vloeistof uit het bioreactor. Een van zijn mobiele collega’s transporteert de proef vervolgens naar een meetinstrument dat de eigenschappen ervan analyseert. Om dat te laten lukken, moeten de technische helpers hun werk echter zo op elkaar afstemmen dat iedereen op het juiste moment het juiste doet. „Daarvoor hebben we uitgebreide computerprogramma’s nodig“, zegt Peter Neubauer.

Extreem interessant voor de farmaceutische industrie

Maar de inspanning loont. Het KIWI Biolab behoort inmiddels tot de toonaangevende laboratoria ter wereld voor de ontwikkeling van bioprocessen. Door het gebruik van wiskundige modellen en Kunstmatige Intelligentie kunnen daar zelfs complexe experimenten volledig geautomatiseerd worden uitgevoerd. De KI beslist bijvoorbeeld wanneer het zinvol is om een monster te nemen en zet vervolgens de nodige stappen in gang. Ze zorgt ervoor dat het de organismen in het bioreactor aan niets ontbreekt, houdt temperatuur, pH-waarde en andere invloedsfactoren automatisch op het optimale niveau. Daardoor stuurt ze het proces zo dat het een zo groot mogelijke opbrengst of een bepaalde kwaliteit van het gewenste product oplevert. Ze herkent zelfs wanneer een experiment niet goed verloopt, zodat het kan worden afgebroken, herhaald of aangepast.

„Dit alles is bijvoorbeeld voor de farmaceutische industrie uiterst interessant“, zegt Peter Neubauer. Is het de moeite waard om met een nieuw product uit het laboratorium richting toepassing te gaan? Welke van meerdere mogelijke kandidaten is daarbij het meest veelbelovend? En hoe ziet later het optimale productieproces eruit? Zulke vragen kunnen in het KIWI Biolab veel sneller en efficiënter worden beantwoord dan in een conventioneel laboratorium.

Data-marktplaats voor de biotechnologiebranche

Het is dan ook geen wonder dat Peter Neubauer en zijn team in veel projecten samenwerken met farmaceutische fabrikanten. „De ontwikkeling van een nieuw medicijn kost gemiddeld 2,5 miljard dollar en duurt tien tot vijftien jaar“, zegt de onderzoeker. Elke overbodige test, elke bespaarde dag, helpt dus patiënten en bedrijven evenzeer.

Vanuit de industrie is ook een nieuwe uitdaging voor de TU-groep aangedragen. „Tot nu toe hebben we ons vooral beziggehouden met processen waarbij micro-organismen een rol spelen“, legt Peter Neubauer uit. „Er is echter ook grote interesse in vergelijkbare procedures voor celkweken.“ Daarmee zal zijn werkgroep zich in de toekomst bezighouden in het onderzoekscentrum Si-M, waarin de TU Berlin en de Charité – Universitätsmedizin Berlin samenwerken.

Een andere focus zal liggen op de ontwikkeling van een data-marktplaats voor de biotechnologiebranche: Welke informatie moet worden vastgelegd bij een experiment zodat het reproduceerbaar is? Hoe moet men de gegevens presenteren en aanbieden aan anderen, zodat zij ze kunnen begrijpen en gebruiken? Ook op dit gebied heeft het team door de jaren heen veel ervaring opgedaan.

„Naar mijn mening vormen wij geen kerngroep binnen het Si-M“, zegt de wetenschapper. Daarom zal slechts een klein deel van zijn team geleidelijk naar het nieuwe onderzoekscentrum verhuizen. „Onze expertise is echter interessant voor veel groepen die daar werken.“ Want robots en KI zullen in de toekomst waarschijnlijk ook in andere laboratoria een steeds belangrijkere rol spelen. En om ervoor te zorgen dat de technische onderzoekshelpers doen wat ze moeten, ligt er nog veel werk voor Peter Neubauer en zijn team.

Het onderzoekscentrum De Gesimuleerde Mens (Si-M)

Op 22 april 2026 openen, vier jaar na de eerste steenlegging, de deuren van het vijf verdiepingen tellende onderzoeksgebouw „De Gesimuleerde Mens“. Op de campus in Berlijn-Wedding willen medici, natuur- en ingenieurwetenschappers uit vele disciplines van de TU Berlin en de Charité – Universitätsmedizin Berlin nauw samenwerken om nieuwe therapeutische en diagnostische benaderingen voor ziekten te ontwikkelen. Bioanalytiek, organoïdtechnologieën en methoden voor celmeting zijn daarbij, vaak verweven met andere vakgebieden en excellentieclusters. Kunstmatige mini-organen uit menselijke cellen, die op een chip passen, moeten dierproeven vervangen; door het samenvoegen van onderling interactie hebbende eiwitten kunnen tot nu toe onbekende processen in cellen zichtbaar worden gemaakt.

Ook architectonisch is het Si-M-gebouw ontworpen met een integratieve werkcultuur en de geplande dialoog met het publiek: in de lichtovergoten centrale atrium met café en ronde auditorium torent een indrukwekkende open trap omhoog. Het leidt naar de ruime laboratoria vol geavanceerde technologieën zoals massaspectrometrie, bioprinting, laser-scanning-microscopie en meer.

Meer informatie:

Het vakgebied Medische Biotechnologie zal met zijn orgaïdonderzoek in de toekomst ook vertegenwoordigd zijn in het nieuwe Berlijnse onderzoekscentrum „De Gesimuleerde Mens“. Lees hier waar het onderzoek van Prof. Dr. Sina Bartfeld over gaat.