N.66 – Automatización de laboratorios y laboratorios en la nube

En esta nota se reseñan dos (2) artículos referidos a nuevas tendencias en laboratorios de investigación. El primero (1) trata sobre la automatización de procesos de biología sintética. En el segundo (2) se analizan los beneficios presentes y potenciales del “laboratorio en la nube”.

1.- Primer artículo: Automatización de procesos de biología sintética (1)

La biología sintética tiene el objetivo de construir nuevas entidades biológicas y rediseñar sistemas biológicos existentes aplicando principios de diseño e ingeniería. Los biólogos sintéticos enfrentan desafíos peculiares debido a la complejidad y la aún limitada comprensión de los sistemas biológicos. Por ello, sus procesos de investigación implican -a menudo- múltiples ciclos de diseño, construcción, prueba y aprendizaje (DCPA). Sin perjuicio de la complejidad de los sistemas biológicos, su investigación incluye componentes comunes, repetitivos y estandarizados.

La automatización del laboratorio (AL) se define como el uso de equipos programables con capacidades de gestión automatizada de muestras, aprendizaje automático (AA) e inteligencia artificial (IA). La gestión automatizada con AA e IA permite analizar, aprender y mejorar el desempeño. Por tanto, la AL se constituye en una aliada natural de la biología sintética, ya que le permite: (a) reducir errores humanos, (b) aumentar la velocidad, precisión y exactitud de los experimentos, y (c) aumentar la cantidad y variedad de los experimentos que pueden realizarse simultáneamente.

En el artículo aquí reseñado se analiza la AL en el contexto del flujo de trabajo DCPA y se explora cómo los investigadores están aplicando la AL para lograr sus objetivos. También se destacan opciones innovadoras de AL que pueden aplicarse a los flujos de trabajo comunes en el laboratorio de biología sintética para optimizar el ciclo DCPA.

Durante los últimos años las instituciones de investigación vienen estableciendo laboratorios centrales (“bio-fundiciones”) para expandir sus capacidades de desarrollo de biotecnología y biología sintética. Se trata de instalaciones altamente automatizadas que utilizan robots de laboratorio programados para realizar tareas específicas dentro de un flujo de trabajo; por ejemplo: manejo de líquidos, ensamblaje genético, funciones de caracterización. Suelen ser sumamente flexibles y utilizarse para una variedad de flujos de trabajo como, entre otros, extracción de ADN, manipulación de ADN, ensamblaje de vectores, transformación y cultivo de bacterias o levaduras, análisis de fragmentos, PCR de colonias, PCR, qPCR y recolección de colonias. La diversidad de equipos utilizados en estas bio-fundiciones varía desde pequeños a grandes sistemas totalmente automatizados, según los objetivos de investigación y los flujos de trabajo. La cuestión reside en elegir el hardware y software adecuados para automatizar el ciclo DCPA, en cada laboratorio de biología sintética.

Como resultado de dicha diversidad se han formado redes como SynBioBeta y Global Biofoundry Alliance para reunir investigadores que comparten sus experiencias innovadoras y coordinan actividades en todo el mundo. La plataforma inSPIRE es la primera plataforma colaborativa de automatización de laboratorio. Proporciona una solución interactiva e intuitiva recomendada para automatizar los flujos de trabajo de biología sintética, especialmente para los investigadores que buscan una solución compacta y configurable con herramientas de IA y AA.

El artículo concluye señalando que: (a) la biología sintética es un campo en rápida evolución que lidera el camino de la innovación con el apoyo de la automatización en cada paso del ciclo DCPA, y (b) con la gama de opciones disponibles, los investigadores pueden automatizar sus laboratorios o utilizar los servicios disponibles en las bio-fundiciones para ayudar a construir nuevas entidades biológicas o rediseñar los sistemas biológicos existentes.

2.- Segundo artٳculo: El “laboratorio en la nube” y sus beneficios (2)

Los investigadores en ciencias de la vida debieron -durante siglos- desempeñar una diversidad de roles de laboratorio, lo que ralentizó su trabajo sustancial y limitó su capacidad para explorar sus preguntas de investigación. En el artículo aquí reseñado se invita a los investigadores a imaginar que se los libera de transitar la monótona rutina y las cargas diarias del trabajo de laboratorio, para poder dedicar todo su tiempo a diseñar experimentos, interpretar resultados y avanzar en sus investigaciones.

Los laboratorios en la nube (LenN) permiten a los investigadores desplegar sus ideas al liberarse de las cargas cotidianas (de ejecución, almacenamiento, logística, administración y mantenimiento) de un laboratorio. Los LenN mejor equipados ofrecen a los investigadores una amplia gama de posibilidades para realizar cualquier experimento básico a través de una interfaz de software a la que pueden acceder desde cualquier lugar.

Los investigadores (de universidades, compañías farmacéuticas u organizaciones de investigación) simplemente envían sus muestras a un laboratorio remoto, junto con sus protocolos experimentales, y reciben los resultados en un formato convenido. Los auténticos LenN pueden reemplazar completamente a los laboratorios físicos con las siguientes ventajas: (a) proveen a los investigadores acceso a equipamiento e instrumental actualizado para avanzar efectivamente en sus campos de estudio, (b) se ahorran inversiones y costos de construcción, locación, mantenimiento y energía asociados al espacio físico del laboratorio, (c) permiten a estudiantes, profesores y personal seguir aprendiendo y realizando experimentos con modalidad remota, (d) permiten a las instituciones académicas elevar el nivel de desempeño en sus programas de investigación y llevar rápidamente las ideas al laboratorio, (e) los usuarios pueden acceder al LenN desde cualquier lugar del mundo, (f) la ejecución de experimentos en línea permite aprender los conceptos básicos de la codificación y habilidades para un futuro cada vez más digital, y (g) permiten acceder a distintas ofertas de capacitación de personal científico y técnico.

Acelerar el desarrollo de fármacos

Las empresas farmacéuticas procuran acelerar sus proyectos de investigación y desarrollo para llevar -lo más rápido posible- sus productos al mercado. Los LenN les permiten acelerar el desarrollo de fármacos, dado que los experimentos se realizan en forma semiautónoma y simultánea, durante las 24 horas los 7 días de la semana. Esto permite realizar más experimentos con mayor rapidez, potenciando la capacidad de descubrir y desarrollar candidatos a fármacos prometedores. Los investigadores mantienen el control de todos los aspectos de sus experimentos, desde el diseño hasta el análisis de datos y los informes, sin tener que ocuparse del trabajo diario ni de las actividades logísticas del laboratorio.

Resolver la crisis de reproducibilidad

La crisis de reproducibilidad de los resultados de la investigación responde a diversos factores (instrumentos poco confiables, conjuntos de datos insuficientes, protocolos ambiguos y métodos de registro inconsistentes). El hecho de que los investigadores continúen realizando directamente sus experimentos resta efectividad a las estrategias y herramientas para promover la reproducibilidad (instrumentos más precisos, cuadernos de laboratorio electrónicos (ELN) y sistemas de gestión de información de laboratorio (LIMS)).

Un LenN aborda el problema desde la dirección opuesta: (a) los investigadores diseñan y ejecutan sus experimentos con modalidad completamente digital, (b) la plataforma presenta un conjunto completo de comandos de todas las variables y opciones disponibles en el laboratorio, (c) al diseñar experimentos a través de este conjunto de comandos, los investigadores deben describir completamente su experimento para que el comando sea válido, (d) estos comandos controlan los protocolos que se registran y almacenan en la nube de forma predeterminada, (e) dado que cada protocolo se asocia a un conjunto de comandos completamente definido, los investigadores pueden ejecutar fácilmente los mismos protocolos varias veces, estableciendo flujos de trabajo completamente rastreables y reproducibles, (f) la naturaleza semiautónoma de los LenN reduce el error y el sesgo humano, (g) para asegurar que los experimentos se están ejecutando correctamente, los LenN vinculan todos los datos asociados al protocolo en sí (monitoreo ambiental, calificaciones de instrumentos, datos de muestras, certificados de análisis de materiales, etc.), (h) dicho proceso también mejora la reproducibilidad porque los investigadores pueden comparar de manera integral todos los aspectos de un protocolo frente a otro, lo que permite solucionar rápidamente los resultados inconsistentes; por ejemplo: identificando que el reactivo utilizado en dos experimentos proviene de lotes diferentes.

Democratización de la investigación científica

Además de reducir costos, acelerar el desarrollo de medicamentos y aumentar la reproducibilidad, los LenN contribuyen también a que la investigación sea más inclusiva. Dado que los investigadores no tienen que estar físicamente presentes en un laboratorio, todos los investigadores de todo el mundo tienen acceso a la última instrumentación y tecnología. Ello permite contratar a investigadores talentosos independientemente de dónde vivan.

El artículo concluye señalando que los LenN están mejorando la investigación de formas que apenas estamos empezando a ver. Las empresas farmacéuticas y las universidades seguirán descubriendo aún más los beneficios de los LenN a medida que adopten el enfoque de manera más amplia en beneficio de la humanidad.