Облачная лаборатория: будущее уже здесь

      Комментарии к записи Облачная лаборатория: будущее уже здесь отключены

Облачная лаборатория: будущее уже здесь

Любой может забрать листок и ручку бумаги и постараться доказать, к примеру, догадку Гольдбаха (утверждение о том, что любое четное число, начиная с 4, возможно представить в виде суммы двух несложных чисел). У любого человека имеется возможность написать философский трактат либо выдвинуть новую экономическую теорию, были бы идеи и желание.

Но возможность проводить естественно-научные опыты имеется далеко не у каждого человека. Кроме того важные изучения биологических растений — и макрообъектов животных — на данный момент включают в себя элементы молекулярной диагностики: генотипирование исследуемых особей, поиск мутаций, вызывающих заметные невооруженным глазом трансформации. Молекулярная диагностика, по-любому, требует дорогих дорогого оборудования и реагентов, с которым необходимо мочь обращаться.

Исходя из этого современные естественно-научные изучения — область, в которой далеко не все имеет шансы себя попытаться. Правильнее, так было раньше.

Биохакеры и облака

Сейчас в биологии показались два течения, каковые ставят целью приблизить естественно-научные изучения к людям, не трудящимся в лаборатории и не готовым посвятить лабораторным опытам все собственный время. Первое — перемещение биохакеров, появившееся в Соединенных Штатах пара лет назад (см. «ПМ» № 2’2014). Биохакеры практиковали биологию в гаражах, беря подержанное оборудование и проводя сверхсложные опыты «на коленке».

Они желали продемонстрировать людям, что наука может стать ближе, в случае если использовать творческий подход — так как возможно применять не самое дорогое оборудование, возможно приобрести бывшее в потреблении, возможно по большому счету не брать, а поменять на что-нибудь либо кроме того дотянуться безвозмездно. А «верховный пилотаж» с позиций биохакера — это разобраться в правилах работы прибора и сконструировать его несложную, недорогую, но рабочую версию самостоятельно. Эти идеи, без сомнений, здоровые и продуктивные, но направляться признать, что биохакерский подход к науке требует громадных затрат упрочнений и времени и пригоден далеко не для всех.

Совсем противоположный подход к биологическим изучениям предлагают новые «облачные лаборатории», каковые сравнительно не так давно стали появляться в Соединенных Штатах, к примеру Transcriptic и Emerald Cloud Laboratory. Их идеи всецело противоположны биохакерским: они предлагают любому желающему проводить собственные опыты, по большому счету не прикасаясь к пипеткам и пробиркам.

Принципиально важно, что такие лаборатории — не просто группы исследователей, каковые за деньги делают чужие опыты. Если вы зайдете на сайты этих компаний, то заметите перемещающиеся в воздухе автоматические пипетки, разъезжающие штативы с пробирками и другие механические устройства, исправно переливающие жидкости и сканирующие образцы. И это неспроста, поскольку особенность этих лабораторий — использование робототехники, которая гарантирует пользователям максимально аккуратные и воспроизводимые результаты.

Рутинная работа

Чтобы совершить собственный опыт, возможно выбрать протокол из готового комплекта либо перевести собственный личный протокол на язык машинных команд посредством особого интерфейса. Думается, недалек тот сутки, в то время, когда покажется сервис, подобно американскому Magic выполняющий каждые пожелания ученых. Возможно будет послать эсэмэску: «Синтезировать ген X, ввести в клетки Y и посчитать флуоресцирующие при длине волны ?».

До тех пор пока для того чтобы сервиса нет, но уже на данный момент процесс заказа опытов в «облачных лабораториях» ненамного сложнее. Экспериментальные результаты приходят по email в очень сжатые сроки: лаборатория Emerald Cloud, например, уже на данный момент обещает совершить изучение любым способом из собственного перечня в течении 24 часов. Что же имеется в этом перечне?

Комплект предлагаемых способов включает пара десятков наименований — от примитивных автоклавирования (реагентов и стерилизации посуды) и термометрирования до всевозможных хроматографий (их смесей анализа и разделения веществ) и ПЦР (реакций синтеза множества копий молекулы ДНК). А в скором будущем, по обещаниям основателей лаборатории, перечень дешёвых способов обязан расшириться в два раза. Сейчас роботы уже смогут сделать за человека б? льшую часть рутинных лабораторных заданий, освобождая людям время на творческие компоненты изучения — анализ и планирование результатов.

Роботы в далеком прошлом могут с совершенной точностью раскапывать растворы по плашкам и пробиркам, перемешивать их содержимое, поменять и поддерживать температуру. Им удаются и более сложные вещи — к примеру, выращивание культуры клеток млекопитающих и постановка трансфекций (введение чужеродной ДНК в клетки эукариот). Но это всего лишь уровень простого студента (что, действительно, ни при каких обстоятельствах не ошибается).

Роботы смогут все больше благодаря формированию совокупностей, интегрирующих работу нескольких аппаратов, что разрешает всецело автоматизировать целый опыт.

Полная автоматизация

К примеру, платформу компании Tecan возможно снабдить самыми различными модулями: для движения плашки, для раскапывания по ней растворов, для ее промывки, для инкубации и перемешивания при различных температурах. Это разрешает всецело автоматизировать, к примеру, процесс иммуноблоттинга (анализа препарата с применением антител, распознающих интересующий ученых белок).

Аппараты компании Leica самостоятельно изготавливают препараты для микроскопии — достаточно только загрузить в них образцы тканей. Qiagen предлагает готовую совокупность, которая может совершить все этапы выделения ДНК из клеток, а после этого еще и поставить с ней ПЦР. Автомобили уже смогут самостоятельно синтезировать биологические полимеры — нуклеиновые кислоты, пептиды и олигосахариды.

А 13 марта 2015 года в издании Science была опубликована статья, говорящая о создании автомобили, которая разрешает автоматизировать синтез большинства природных малых молекул (к примеру, непептидных антибиотиков). Это превосходное достижение, потому, что отдельные блоки неполимерных молекул соединены множеством разнообразных типов связей — в отличие от полимерных, синтез которых похож на сборку поезда, однообразные вагоны которого возможно поменять в любом порядке.

Исходя из этого к синтезу природных малых молекул неизменно необходимо было доходить творчески, обычно проходя через множество стадий, на каждой из которых неизбежно терялась часть вещества. До сих пор казалось немыслимым, что процессы синтеза таких молекул возможно будет автоматизировать, тем более применяя единственный прибор.

Однако сравнительно не так давно Мартину Берку из Университета Иллинойса (США) это удалось: его «Машина» собирает огромное количество молекул, в случае если ее обеспечить верными строительными блоками. В месте соединения блоков на одном из них обязан пребывать остаток борной кислоты, а на втором — атом галогена. В катализируемой палладием реакции такие блоки объединяются, отбросив галоген и борную кислоту.

на данный момент в продаже имеется около 200 подходящих строительных блоков, а с повышением их числа репертуар «Автомобили» будет расширяться.

Основатели «облачных лабораторий» развивают направление автоматизации все более сложных процессов, создавая совокупности сотрудничества роботов между собой. Это и дополнительные автомобили, каковые переносят образцы между роботами, и ПО, которое разрешает аппаратам «сказать на одном языке». В следствии получается всецело автоматическая лаборатория, в которой все опыты выполняются максимально бережно и скоро.

У нас все совершенно верно

У роботов имеется и другие преимущества — с их помощью несложнее подбирать условия опыта, поскольку автоматы смогут изменять только один параметр, покинув значения вторых ровно такими же, как раньше. И само собой разумеется, они смогут снова и снова повторять одинаковые (либо с нужными вариациями) опыты, не запутавшись много пробирок.

С переходом на роботизированные лаборатории у ученых имеется надежда выйти из кризиса воспроизводимости результатов, в котором на данный момент находятся естественные науки. Естественно-научные опыты стали так сложны, что обычно другие ученые не смогут воспроизвести результаты сотрудников не из-за подтасовок, а из-за не хватает подробных описаний последовательности действий.

В то время, когда дело доходит до изучений судьбы на молекулярном уровне, любая ничтожная неточность в количестве раствора, каждое незначительное различие в условиях лабораторий, любая привычка ученого, на которую он уже не обращает внимания, смогут оказывать влияние на итог. С возникновением роботизированных лабораторий эти моменты прекратят сбивать с толку. И само собой разумеется, автомат не будет подтасовывать результаты: ни вследствие того что ему пора защищать диссертацию, ни вследствие того что у него имеется собственный видение «прекрасного результата».

Еще одно серьёзное преимущество роботов — поиск и хранение образцов и данных. Автоматизированные совокупности не только смогут хранить все образцы в подходящих условиях, но смогут и посоветовать, как давно пример поступил и какую фасовку фермента пора прекратить хранить на тёмный сутки. В случае если такая совокупность — часть роботизированной лаборатории, то для каждого примера еще и будет в подробностях известно, в следствии каких операций он был взят.

Для простых «людских» лабораторий такие совокупности также смогут быть нужны. Их разработкой занимается и Transcriptic, и Emerald Cloud Laboratory. Особые устройства для эргономичного поиска образцов создаёт Leica.

Вкалывают роботы, радостен человек

Примечательно, что кроме того на данный момент изучения в роботизированных лабораториях ст? ят несущественно дороже либо кроме того дешевле опытов, проводимых хорошим образом. Ученые неспешно начинают доверять роботам рутинные работы: так, как раз в роботизированной облачной лаборатории Transcriptic были совершены все рутинные молекулярно-биологические операции для биосенсора, определяющего состав оливкового масла.

За эту разработку студенты Калифорнийского университета в Дэвисе в 2014 году удостоились основной премии респектабельного конкурса в области синтетической биологии International Genetically Engineered Machines, iGEM. На долю людей осталось лишь генерировать идеи и оценивать уровень качества взятых роботами образцов. Появляется все больше публикаций, эти для которых были собраны с применением автоматизированных совокупностей, поскольку кроме того отдельные аппараты, устанавливаемые в простых лабораториях, делают работу ученых менее неинтересной, а их эти — более правильными.

Не вытеснят ли роботы людей из лабораторий совсем? Чуть ли, поскольку творческий процесс листания научных сайтов и журналов за утренней чашкой чая, перехода по десяткам ссылок, по окончании которого и не помнишь, с чего все начиналось, и наконец, озарения, чем срочно стоит заняться, совсем нереально обрисовать вычислительными способами. А с распространением роботизированных лабораторий, каковые готовы проводить сложные и аккуратные опыты для всех желающих, узкое интеллектуальное наслаждение по срыванию покровов с тайн самой жизни и нашего мира делается доступно все большему числу людей.

Совершить опыт в облачной лаборатории возможно из любого места в мире — кроме того иначе земного шара

    1. Дизайн опыта Отсылаете образцы в лабораторию, после этого посредством особой программы конструируете дизайн опыта. 2. Дистанционное исполнение Роботизированная лаборатория проводит опыт, в точности придерживаясь описания. 3. Параметры опыта Все параметры опыта записываются в базу данных, дешёвую вам через интернет из любого места в мире.

4. Анализ результатов ПО разрешает проанализировать и визуализировать результаты опыта, совершить моделирование и статистическую обработку.

Облачная биоэкономика

Сравним цена несложного опыта в обычной и роботизированной лаборатории Transcriptic. ПЦР (полимеразная цепная реакция) — это способ получения множества копий фрагмента ДНК. Посредством ПЦР возможно определить, имеется ли в примере определенный фрагмент ДНК, и наработать много материала, дабы применять его в предстоящих опытах.

Для опыта необходимо «раскапать» реагенты и образцы по пробиркам и поместить их в особый прибор, что создаст подходящие для реакции условия. Дабы совершить таковой опыт в простой лаборатории, пригодятся ПЦР-машина ($650−8000), лабораторный пластик ($25 на 100 реакций), реагенты ($40 на 100 реакций) и час работы эксперта ($45-$85), итого — $760−8150. Само собой разумеется, ПЦР-машина прослужит продолжительное время, но начальные затраты получаются большими.

В случае если проводить тот же опыт в лаборатории Transcriptic, пригодится оплатить те же реагенты ($40 на 100 реакций), час работы роботизированной совокупности манипуляций с жидкостями ($14,7), и время работы ПЦР-машины ($2−6), итого — $56,7−60,7. Само собой разумеется, для единичных опытов удачнее не брать собственный прибор, а совершить опыт в облачной лаборатории (помимо этого, наряду с этим значительно уменьшается цена процедур «раскапывания» растворов по пробиркам).

Населена роботами

Облачная лаборатория напоминает высокоавтоматизированный завод, где все главные операции делают роботы, — они не устают, не ошибаются и не отвлекаются, строго придерживаясь заданной программы. на данный момент пользователям аналогичных лабораторий дешёвы пара десятков главных опытов, результаты которых в большинстве случаев готовы в течении 24 часов.

Что смогут и что не смогут делать роботизированные лаборатории?

Роботы уже могут:

— выделять из клеток белки, ДНК и РНК;

— манипулировать фрагментами ДНК — вырезать их, копировать и склеивать, приобретая синтетические гены;

— вводить синтетические гены в бактериальные и эукариотические клетки;

— отбирать клетки с определенными показателями;

— разбирать состав сложных смесей;

— записывать параметры протекания реакции;

— синтезировать ДНК, олигосахариды и маленькие белки;

— синтезировать многие «малые природные молекулы» (к примеру, непептидные антибиотики).

Роботы пока не могут:

— осуществлять поиск нужного кадра при микроскопии (как правило нереально растолковать машине, что именно мы ищем в препарате, и тем более сложно растолковать, какой кадр самый информативный);

— синтезировать вещества, не складывающиеся из однородных блоков;

— проводить кристаллизацию белков;

— трудиться с многоклеточными живыми организмами.

Джастин Сигель, заведующий лабораторией ферментативного катализа отделения биомедицинских наук Калифорнийского университета в Дэвисе: «Облачная лаборатория Transcriptic сделала отечественную работу (по созданию биосенсора для контроля качества оливкового масла, за что несколько студентов Калифорнийского университета в Дэвисе в 2014 году взяла основную премию респектабельного конкурса в области синтетической биологии International Genetically Engineered Machines, iGEM) действеннее и мало храбрее. Вместо того дабы сделать лишь десять дизайнов биосенсора, мы смогли попытаться пара дополнительных вариантов. Мои студенты смогли продвинуться дальше, по причине того, что им не требуется было делать рутинную физическую работу».

Редакция высказывает признательность сайту «Биомолекула».

Статья «Лаборатория в тучах» размещена в издании «Популярная механика» (№151, май 2015).

React Fiber — будущее уже здесь, Илья Климов


Интересные записи на сайте:

Подобранные по важим запросам, статьи по теме: