Non c'è bisogno di fare le notti in bianco: questo laboratorio pianifica i propri esperimenti
Il KIWI Biolab della TU di Berlino combina robot, analizzatori e AI per eseguire esperimenti anche complessi in modo completamente automatico
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Sembra un po' fantascienza: un laboratorio in grado di pianificare, eseguire e analizzare i propri esperimenti in modo ampiamente autonomo. In cui i robot controllati dai computer e dall'intelligenza artificiale (AI) lavorano insieme ad analizzatori all'avanguardia. E in cui gli esseri umani non devono più fare le notti in bianco per alimentare le cellule e portare avanti gli esperimenti. Ma questo è esattamente ciò che è diventato realtà nel KIWI Biolab della TU di Berlino. Gli sviluppatori del laboratorio high-tech completamente automatizzato metteranno a disposizione la loro esperienza anche nel nuovo centro di ricerca "The Simulated Human" (Si-M) della TU Berlin e della Charité - Universitätsmedizin Berlin.
"Sono sempre stato interessato a come i nuovi processi biologici possano essere portati dal laboratorio alla pratica il più rapidamente possibile", afferma il Prof. Dr. Peter Neubauer, che dirige il Dipartimento di Ingegneria dei Bioprocessi della TU di Berlino. Il cofondatore e direttore del KIWI Biolab ha una formazione da microbiologo. Inizialmente, quindi, si è posto queste domande soprattutto in relazione a batteri, lieviti e funghi: Qual è il modo migliore per mantenere questi organismi nei bioreattori? E in modo tale che non solo si moltiplichino e prosperino, ma producano anche sostanze preziose come proteine speciali per l'industria farmaceutica?
Trovare una risposta a questa domanda è tutt'altro che facile. Questo perché i piccoli produttori reagiscono spesso in modo molto forte al loro ambiente. In un test di laboratorio su scala millimetrica, possono essersi comportati perfettamente. Tuttavia, ciò non significa necessariamente che si comporteranno allo stesso modo in un bioreattore con una capacità di qualche centinaio di metri cubi. Prima dell'utilizzo industriale, è quindi importante scoprire in quali condizioni gli organismi possono svolgere al meglio il compito desiderato.
Lavoro automatizzato in laboratorio
I modelli di calcolo possono fornire indizi. A che velocità cresce un organismo? Quanto substrato consuma? Peter Neubauer e il suo team riassumono questi e molti altri parametri in formule matematiche. Il computer può quindi essere utilizzato per confrontare il funzionamento di diverse varianti di un processo e quale di esse fornisce i risultati migliori.
"Possiamo anche collegare questi modelli matematici a robot e analizzatori", spiega Peter Neubauer. In questo modo, il lavoro in laboratorio può essere organizzato e automatizzato digitalmente. Ad esempio, un tipo di robot aspira alcuni millilitri di liquido dal bioreattore in determinati momenti. Uno dei suoi colleghi mobili trasporta poi il campione a un dispositivo di misurazione che ne analizza le proprietà. Perché tutto questo funzioni, però, gli assistenti tecnici devono coordinare il loro lavoro in modo che ognuno faccia la cosa giusta al momento giusto. "Per questo abbiamo bisogno di ampi programmi informatici", spiega Peter Neubauer.
Estremamente interessante per l'industria farmaceutica
Ma lo sforzo vale la pena. Il KIWI Biolab è oggi uno dei laboratori leader al mondo per lo sviluppo di bioprocessi. Grazie a modelli matematici e all'intelligenza artificiale, anche gli esperimenti più complessi possono essere eseguiti in modo completamente automatico. Ad esempio, l'intelligenza artificiale decide quando è opportuno prelevare un campione e avvia le fasi necessarie. Si assicura che gli organismi nel bioreattore abbiano tutto ciò di cui hanno bisogno e mantiene automaticamente la temperatura, il valore del pH e altre variabili influenti entro l'intervallo ottimale. In questo modo, controlla il processo in modo da ottenere la massima resa possibile o una qualità specifica del prodotto desiderato. Riconosce persino quando un esperimento non sta andando bene e deve essere interrotto, ripetuto o modificato.
"Tutto questo è estremamente interessante, ad esempio, per l'industria farmaceutica", afferma Peter Neubauer. Vale la pena portare un nuovo prodotto dal laboratorio alla fase di applicazione? Quale dei diversi possibili candidati è il più promettente? E come sarà il processo di produzione ottimale in seguito? Nel KIWI Biolab è possibile rispondere a queste domande in modo molto più rapido ed efficiente rispetto a un laboratorio tradizionale.
Un mercato di dati per il settore delle biotecnologie
Non c'è quindi da stupirsi se Peter Neubauer e il suo team collaborano con i produttori di farmaci su molti progetti. "Lo sviluppo di un nuovo farmaco costa in media 2,5 miliardi di dollari e richiede dai 10 ai 15 anni", afferma il ricercatore. Ogni esperimento che diventa superfluo, ogni giorno risparmiato, va a vantaggio sia dei pazienti che delle aziende".
Al gruppo della TU si è presentata anche una nuova sfida da parte dell'industria. "Finora abbiamo lavorato soprattutto su processi in cui i microrganismi svolgono un ruolo importante", spiega Peter Neubauer. "Ma c'è anche un grande interesse per processi simili per le colture cellulari". È proprio su questo che il suo gruppo di ricerca lavorerà in futuro presso il centro di ricerca Si-M, al quale collaborano la TU di Berlino e la Charité - Universitätsmedizin Berlin.
Un altro obiettivo sarà lo sviluppo di un mercato dei dati per il settore delle biotecnologie: Quali informazioni devono essere raccolte durante un esperimento per poterlo riprodurre? Come devono essere presentati i dati e offerti ad altri affinché possano comprenderli e utilizzarli? Nel corso degli anni, il team ha acquisito una grande esperienza in merito a tali questioni.
"A mio parere, non siamo un gruppo di base al Si-M", ammette lo scienziato. Per questo motivo solo un piccolo numero di persone si trasferirà gradualmente nel nuovo centro di ricerca. "Tuttavia, le nostre competenze sono interessanti per molti gruppi che lavorano lì". Dopo tutto, è probabile che in futuro i robot e l'IA giochino un ruolo sempre più importante in altri laboratori. E Peter Neubauer e il suo team hanno ancora molto lavoro da fare per garantire che gli assistenti tecnici di ricerca facciano ciò che devono fare.
Il centro di ricerca sull'uomo simulato (Si-M)
Il 22 aprile 2026, quattro anni dopo la posa della prima pietra, si apriranno le porte dell'edificio di ricerca a cinque piani "The Simulated Human". Nel campus di Berlino-Wedding, scienziati medici, naturali e ingegneri di molte discipline della TU Berlin e della Charité - Universitätsmedizin Berlin lavoreranno a stretto contatto per sviluppare nuovi approcci terapeutici e diagnostici per le malattie. La bioanalisi, le tecnologie degli organoidi e i metodi di misurazione delle cellule, la genetica delle singole cellule, la bioinformatica, l'automazione e la tecnologia medica si intrecciano spesso con altre aree specialistiche e cluster di eccellenza. I mini-organi artificiali fatti di cellule umane che si inseriscono in un chip sono destinati a sostituire gli esperimenti sugli animali; incollando insieme proteine interagenti, si renderanno visibili processi precedentemente sconosciuti nelle cellule.
L'atmosfera di lavoro integrativa e il dialogo programmato con il pubblico sono già stati delineati dal punto di vista architettonico nell'edificio Si-M: Nell'atrio centrale inondato di luce, con il suo caffè e l'aula magna, una scala aperta svetta imponente verso l'alto. Essa conduce agli ampi laboratori dotati di tecnologie su larga scala come la spettrometria di massa, il bioprinting, la microscopia a scansione laser e altre ancora.
Nota: questo articolo è stato tradotto utilizzando un sistema informatico senza intervento umano. LUMITOS offre queste traduzioni automatiche per presentare una gamma più ampia di notizie attuali. Poiché questo articolo è stato tradotto con traduzione automatica, è possibile che contenga errori di vocabolario, sintassi o grammatica. L'articolo originale in Tedesco può essere trovato qui.
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