Laboratorium bez ludzi

W KIWI Biolab, jednym z wiodących na świecie laboratoriów zajmujących się rozwojem bioprocesów, stosowany jest zintegrowany z robotem laboratoryjnym system 48 bioreaktorów, który umożliwia równoległe hodowle i zautomatyzowany nadzór nad procesami biologicznymi w warunkach kontrolowanych.

Brzmi to trochę jak science fiction: Laboratorium, które może w dużej mierze samodzielnie planować, przeprowadzać i oceniać swoje eksperymenty. W którym roboty sterowane komputerami i sztuczną inteligencją (SI) współpracują z najnowocześniejszymi urządzeniami analitycznymi. I w którym nie musi już nikt spędzać nocy na karmieniu komórek i utrzymywaniu eksperymentów w ruchu. Dokładnie to stało się rzeczywistością w laboratorium KIWI Biolab na TU Berlin. Twórcy w pełni zautomatyzowanego laboratorium high-tech będą w przyszłości dzielić się swoją wiedzą również w nowym centrum badawczym „Człowiek Symulowany” (Si-M) TU Berlin i Charité – Universitätsmedizin Berlin.

„Zawsze interesowało mnie, jak najszybciej można przenieść nowe procesy biologiczne z laboratorium do praktyki” – mówi prof. dr. Peter Neubauer, kierujący zakresem bioprocesów na TU Berlin. Współzałożyciel i kierownik laboratorium KIWI Biolabs jest wykształconym mikrobiologiem. Zatem najpierw zadawał sobie pytania głównie w odniesieniu do bakterii, drożdży i grzybów: Jak najlepiej utrzymywać takie organizmy w bioreaktorach? Tak, aby nie tylko się rozmnażały i dobrze rozwijały, ale także produkowały cenne substancje, takie jak specjalne białka dla przemysłu farmaceutycznego?

Znalezienie odpowiedzi na to pytanie jest niezwykle trudne. Ponieważ małe fabryki często bardzo silnie reagują na swoje otoczenie. W eksperymencie laboratoryjnym na mililitrowym poziomie mogą zachowywać się bez zarzutu. Nie oznacza to jednak, że tak samo zachowają się w bioreaktorze o pojemności kilku setek metrów sześciennych. Przed zastosowaniem przemysłowym konieczne jest więc ustalenie, w jakich warunkach które organizmy najlepiej wykonują wyznaczone zadanie.

Zautomatyzowana praca w laboratorium

Wskazówki mogą dostarczyć modele obliczeniowe. Jak szybko rośnie organizm? Ile substratu zużywa przy tym? Te i wiele innych parametrów podsumowują Peter Neubauer i jego zespół w formułach matematycznych. W komputerze można następnie porównać, jak przebiegają różne warianty procesu i które z nich dają najlepsze wyniki.

„Takie modele matematyczne możemy także łączyć z robotami i urządzeniami analitycznymi” – wyjaśnia Peter Neubauer. W ten sposób można cyfrowo organizować i automatyzować pracę w laboratorium. Na przykład jeden z robotów odsysa co określony czas kilka mililitrów płynu z bioreaktora. Jego mobilny kolega następnie transportuje próbkę do urządzenia pomiarowego, które analizuje jej właściwości. Aby to zadziałało, techniczne pomocniki muszą ze sobą współpracować tak, aby każdy w odpowiednim momencie robił to, co trzeba. „Do tego potrzebujemy rozbudowanych programów komputerowych” – mówi Peter Neubauer.

Ekstremalnie interesujące dla przemysłu farmaceutycznego

Ale warto się tym zająć. Laboratorium KIWI Biolab należy już do wiodących na świecie laboratoriów zajmujących się rozwojem procesów biotechnologicznych. Dzięki zastosowaniu modeli matematycznych i sztucznej inteligencji można tam przeprowadzać nawet skomplikowane eksperymenty w pełni automatycznie. SI decyduje na przykład, kiedy warto pobrać próbkę, i inicjuje konieczne kroki. Dba o to, aby organizmy w bioreaktorze nie brakowało niczego, automatycznie utrzymując temperaturę, pH i inne czynniki w optymalnym zakresie. W ten sposób steruje procesem tak, aby uzyskać jak największy plon lub określoną jakość pożądanego produktu. Rozpoznaje nawet, kiedy eksperyment nie przebiega dobrze, tak aby można go było przerwać, powtórzyć lub zmienić.

„To wszystko jest na przykład dla przemysłu farmaceutycznego niezwykle interesujące” – mówi Peter Neubauer. Czy opłaca się przejść z laboratorium do zastosowania nowego produktu? Który z kilku kandydatów ma największe szanse na sukces? I jak wyglądać będzie później optymalny proces produkcji? Takie pytania można w laboratorium KIWI Biolab rozwiązać znacznie szybciej i efektywniej niż w tradycyjnym laboratorium.

Rynek danych dla branży biotechnologicznej

Nic więc dziwnego, że Peter Neubauer i jego zespół współpracują w wielu projektach z producentami leków. „Rozwój nowego leku kosztuje średnio 2,5 miliarda dolarów i trwa od dziesięciu do piętnastu lat” – mówi naukowiec. Każdy zbędny eksperyment, każdy zaoszczędzony dzień, służy pacjentom i firmom równie dobrze.

Do zespołu z przemysłu zgłoszono także nowe wyzwanie. „Dotychczas zajmowaliśmy się głównie procesami, w których odgrywają rolę mikroorganizmy” – wyjaśnia Peter Neubauer. „Istnieje jednak duże zainteresowanie podobnymi metodami dla kultur komórkowych.” Dokładnie tym będzie zajmować się jego grupa badawcza w przyszłości w centrum Si-M, w którym współpracują TU Berlin i Charité – Universitätsmedizin Berlin.

Kolejnym głównym tematem będzie rozwój rynku danych dla branży biotechnologicznej: Jakie informacje trzeba zebrać podczas eksperymentu, aby można go było powtórzyć? Jak należy prezentować i udostępniać dane, aby inni mogli je zrozumieć i wykorzystać? Również w tych kwestiach zespół zgromadził przez lata dużą wiedzę.

„Z mojego punktu widzenia nie jesteśmy główną grupą w Si-M” – mówi naukowiec. „Dlatego tylko niewielka część naszych ludzi będzie stopniowo przenosić się do nowego centrum badawczego. „Nasze kompetencje są jednak interesujące dla wielu grup pracujących tam” – dodaje. Ponieważ roboty i SI prawdopodobnie będą odgrywać coraz ważniejszą rolę w innych laboratoriach w przyszłości. A aby techniczni pomocnicy naukowi wykonywali swoje zadania, przed Peterem Neubauerem i jego zespołem jeszcze wiele pracy.

Centrum badawcze Człowiek Symulowany (Si-M)

W dniu 22 kwietnia 2026 roku, cztery lata po położeniu kamienia węgielnego, zostaną otwarte drzwi pięciopiętrowego budynku badawczego „Człowiek Symulowany”. Na kampusie w Berlinie-Wedding przyszli lekarze, naukowcy z dziedzin przyrodniczych i inżynieryjnych z wielu dyscyplin TU Berlin i Charité – Universitätsmedizin Berlin będą ściśle współpracować, aby opracować nowe metody terapeutyczne i diagnostyczne chorób. Bioanaliza, technologie organoidów i metody pomiaru komórek to tylko niektóre z nich, powiązane z genetyką pojedynczych komórek, bioinformatyką, automatyzacją i technologiami medycznymi, często w powiązaniu z innymi dziedzinami i klastrami ekscelencji. Sztuczne mini-organy z ludzkich komórek, mieszczące się na chipie, mają zastąpić testy na zwierzętach; poprzez łączenie ze sobą oddziałujących białek mają ujawniać dotąd nieznane procesy w komórkach.

Pod względem architektonicznym budynek Si-M od początku zakładał integracyjną atmosferę pracy i planowany dialog z opinią publiczną: w jasnym, centralnym atrium z kawiarnią i okrągłą salą wykładową imponująco wznosi się otwarte schody. Prowadzą one do przestronnych laboratoriów pełnych technologii, takich jak spektrometria masowa, bioprinting, mikroskopia laserowa i inne.

Dalsze informacje:

Zakład Bioanalizy Medycznej z przyszłością będzie reprezentowany w nowym berlińskim centrum badawczym „Człowiek Symulowany” również przez swoje badania nad organoidami. Dowiedz się, na czym polega praca prof. dr. Siny Bartfeld.