BIOTECNOLOGÍA

Laboratorios en la nube: donde los robots investigan

Una gran cantidad de empresas proporcionan una fuerza laboral remota y automatizada para realizar experimentos durante todo el día. Como estudiante de doctorado en química, Dmytro Kolodieznyi estaba acostumbrado a realizar experimentos. Pero a principios de 2018, sus asesores de investigación le pidieron que participara en una carrera de robots.

Querían que Kolodieznyi, que estaba desarrollando sondas fluorescentes intracelulares en la Universidad Carnegie Mellon en Pittsburgh, Pensilvania, pasara un mes intentando recrear su investigación en Emerald Cloud Lab (ECL). La compañía de biotecnología en el sur de San Francisco, California, permite a los científicos realizar experimentos de laboratorio húmedo de forma remota en un entorno de investigación automatizado conocido como laboratorio en la nube. Si la prueba salió bien, ayudaría a allanar el camino para un uso más amplio de los laboratorios en la nube en la universidad.

A diferencia de su laboratorio de Pittsburgh, donde Kolodieznyi y sus compañeros de estudios llevaron a cabo sus propios experimentos, los caballos de batalla en la sede central de 1400 metros cuadrados de ECL eran filas de máquinas operadas por líneas de código emitidas por investigadores de todo el mundo, con la ayuda ocasional de personas a la altura de la cintura. robots blancos que zumbaban por la habitación. Había cientos de máquinas trabajando, pero solo se necesitaban uno o dos técnicos humanos para gestionar todo el proceso.

A Kolodieznyi le tomó solo una semana de tiempo práctico replicar varios años de su investigación de doctorado, desde la síntesis orgánica de etiquetas fluorescentes hasta la microscopía avanzada. Dice que solo rascó la superficie de las capacidades de la empresa, que incluyen cultivo celular, síntesis de ADN, cromatografía líquida y métodos de análisis estructural, como espectrometría de masas y resonancia magnética nuclear. Pero

la experiencia dejó su huella: en 2020, tras obtener su doctorado, se incorporó a la empresa como desarrollador científico.

Los comentarios positivos de Kolodieznyi, junto con las interrupciones en la investigación en 2020 como resultado de la pandemia de COVID-19, llevaron a la Universidad Carnegie Mellon a invertir 40 millones de dólares estadounidenses en asociación con ECL para construir un laboratorio en la nube con sede en Pittsburgh, la primera instalación de este tipo en ser construido en un entorno académico. La construcción del laboratorio en la nube de la Universidad Carnegie Mellon comenzó en noviembre de 2021 y se inaugurará a mediados de 2023. Los miembros de la facultad, el personal y los estudiantes de la universidad tendrán acceso prioritario al laboratorio, por lo que todos los investigadores allí tienen la oportunidad de utilizar la tecnología, según Rebecca Doerge, Decana de Glen de Vries de la Facultad de Ciencias Mellon de la universidad.

Los académicos, las pequeñas empresas emergentes y las grandes farmacéuticas recurren cada vez más a los laboratorios en la nube como parte de una tendencia a subcontratar el trabajo. El enfoque es como “tener un laboratorio que funciona las 24 horas del día, los 7 días de la semana”, dice Germano Coppola, director ejecutivo de investigación y desarrollo de la firma de biotecnología CSL Behring en Melbourne, Australia, que es cliente de ECL.

Los laboratorios en la nube brindan “un enorme potencial para que los científicos generen una gran cantidad de datos sin siquiera tener que ingresar a un laboratorio”, dice.

El banco virtual

Los cofundadores de ECL, Brian Frezza y DJ Kleinbaum, no se propusieron volver virtual la mesa de laboratorio. Amigos desde niños, la pareja asistió a Carnegie Mellon y, en 2010, fundaron Emerald Therapeutics en el sur de San Francisco para centrarse en el desarrollo de medicamentos antivirales. Pero Frezza y Kleinbaum dedicaron gran parte de su tiempo a intentar que la maquinaria de su nuevo laboratorio funcionara. Su solución fue un conjunto cada vez mayor de códigos de computadora para administrar el equipo y realizar experimentos las 24 horas del día. Frezza notó no solo un aumento en la productividad de la configuración, sino también un aumento en la reproducibilidad.

“Estaba convirtiendo experimentos en código”, dice Frezza. “Al final del día, no hay ambigüedad en este texto, puedo presionar un botón y reproducirlo”.

La pareja se dio cuenta de que otros laboratorios podrían beneficiarse de este sistema virtual y formaron ECL ese mismo año para vender acceso por suscripción a su equipo y software. La mejor manera de pensar en ello, dice Frezza, es como los servicios de transmisión Netflix o Spotify para el laboratorio. Así como los usuarios de esos servicios pagan por el acceso a una biblioteca virtual de contenido digital sin tener que comprar una canción o un episodio de televisión, ECL y otros laboratorios en la nube brindan acceso a un amplio almacén de equipos sin tener que invertir capital.

Los investigadores pueden iniciar sesión en el panel de ECL y especificar qué experimentos quieren realizar y cuándo; configurar el equipo a su gusto; hacer ajustes en el camino; y obtenga actualizaciones en vivo del progreso de sus experimentos y vea el proceso en video. Un experto basado en inteligencia artificial actúa como un técnico altamente calificado, brindando a los usuarios la capacidad de modificar los valores predeterminados e identificar problemas que pueden detener los experimentos.

ECL proporciona tres niveles de acceso, según la cantidad de experimentos que los usuarios deseen ejecutar a la vez. El nivel más bajo permite que tres se ejecuten en paralelo y comienza en $24,000 por mes. No es barato, admite Frezza, pero en comparación con el costo de comprar el equipo, dice que ahorra dinero a los investigadores a largo plazo. Strateos, que tiene un laboratorio en la nube en Menlo Park, California, personaliza sus niveles de acceso y precios, lo que permite a los usuarios adaptar su experiencia a su presupuesto.

Para Coppola y CSL Behring, los laboratorios en la nube brindan lo que efectivamente es un servicio de 24 horas. Coppola envía sus muestras y reactivos a la sede de ECL o los compra de su inventario existente, programa sus comandos en una interfaz de usuario de apuntar y hacer clic y espera a que lleguen los resultados. Puede ver sus experimentos en una cámara web y obtener lecturas. Salidas en tiempo real.

Los laboratorios en la nube no son la única opción para los equipos de investigación que carecen de la infraestructura o la experiencia para realizar ciertos experimentos: las organizaciones de investigación por contrato (CRO) son otra. Pero los dos enfoques son muy diferentes, dice Daniel Rines, vicepresidente de Technology Enabling Services, que trabaja en la otra instalación de Strateos en San Diego, California. Con un laboratorio en la nube, los científicos realizan todos sus propios experimentos. Puede que los esté ejecutando desde miles de kilómetros de distancia, pero siguen siendo sus ideas y sus resultados.

Por el contrario, “las CRO están muy impulsadas por la mano de obra”, dice Rines, lo que significa que tienden a depender de los humanos para hacer gran parte del trabajo. “Lo que estamos haciendo es usar nuestras capacidades robóticas para industrializar la ciencia y hacerla más reproducible y confiable”.

Debido a esto, cuando los experimentos fallan, los usuarios del laboratorio en la nube pueden volver a sumergirse en sus datos para averiguar qué salió mal, sin depender de nadie más. Kolodieznyi describe el proceso como tener un ejército de estudiantes universitarios altamente capacitados y con mucho talento a su entera disposición. Es posible que no puedan diseñar estudios al principio, pero una vez que están capacitados, pueden ejecutar sus experimentos, y hacerlo de la misma manera cada vez, dice.

“No puedo recordar cuántas veces he leído algo en un periódico, traté de hacerlo y, como era de esperar, no funcionó. Pero en un laboratorio en la nube, si simplemente copio y pego mi experimento, volverá a funcionar”, dice Kolodieznyi.

Los defensores de los laboratorios en la nube dicen que, además de la ventaja de la reproducibilidad, brindar acceso asequible al equipo necesario para hacer ciencia ayuda a democratizar la investigación. “No importa quién eres o dónde estás. Todos están usando el mismo laboratorio. Eso es algo enorme”, dice Frezza.

Huaiying Zhang, bioingeniero de Carnegie Mellon, ha propuesto el uso del laboratorio en la nube de la universidad por parte de estudiantes de secundaria en un distrito de bajos ingresos en el estado de Georgia, trabajo por el cual recibió una subvención de la Fundación Nacional de Ciencias de EE.UU. No todos los estudiantes interesados en la ciencia pueden tener acceso a equipos sofisticados, explica, pero realizar experimentos en laboratorios en la nube elimina esas barreras. Una vez que el laboratorio en la nube de Carnegie Mellon esté en funcionamiento, espera dar a los estudiantes la oportunidad de realizar experimentos reales en equipos normalmente reservados para estudiantes de doctorado y postdoctorados.

“No estás simplemente memorizando hechos. Estás obteniendo datos reales”, dice Zhang. “Los estudiantes pueden usar equipos a los que normalmente no habrían podido acceder”.

En el University College London, los investigadores se han asociado con Synthace Life Sciences R&D Cloud, con sede en Londres, para proporcionar una interfaz de usuario sin código que permitirá a los investigadores automatizar tareas y crear flujos de trabajo experimentales de forma remota. Esta asociación permitirá a los científicos “preparar para el futuro” sus diseños experimentales contra interrupciones inesperadas en su trabajo, según un comunicado de Synthace.

Sin embargo, escribiendo en el Boletín de los científicos atómicos, los investigadores Filippa Lentzos y Cédric Invernizzi señalan que, al reducir la barrera de los equipos costosos, los laboratorios en la nube podrían permitir que los malos actores, como los grupos terroristas, hagan un mal uso de la tecnología para realizar experimentos “malévolos”. (Ver go.nature. com/3nsbg9).

Cuando se les pidió un comentario sobre este problema, los voceros de Strateos y ECL dijeron que usan el cifrado de datos de más alto nivel posible y que nunca han tenido problemas de seguridad, aunque no tienen ningún control activo para protegerse contra esos contingencias.

Para Doerge, los beneficios de los laboratorios en la nube superan esas preocupaciones, especialmente en medio de la pandemia en curso. Gran parte de la investigación de la universidad se detuvo cuando COVID-19 se estableció a principios de 2020. Una instalación de laboratorio en la nube habría permitido que gran parte de esta investigación continuara, así como muchos cursos de laboratorio en la universidad, dice ella.

“Esta era la transformación que necesitaba la ciencia, como el teléfono celular, como el automóvil autónomo”, dice Doerge. “El proceso de la ciencia no ha seguido el ritmo de la tecnología”.

Fuente: Nature