Автоматичні лабораторії та світле майбутнє природничих досліджень
Лабораторії, де всі експерименти виконують роботи, допоможуть біології вийти з кризи відтворюваності результатів. Більше того, замовляючи в автоматичних лабораторіях необхідні експерименти, науковими дослідженнями з природничих наук зможуть займатися всі охочі.
Кожен може взяти ручку та аркуш паперу та спробувати довести гіпотезу Гольдбаха. Будь-яка людина має можливість написати філософський трактат або висунути нову економічну теорію, були б ідеї та бажання. Однак можливість проводити природничі експерименти є далеко не у кожної людини. Навіть серйозні дослідження біологічних макрооб'єктів — тварин і рослин — зараз включають елементи молекулярної діагностики: генотипування досліджуваних особин, пошук мутацій, що викликають помітні неозброєним оком зміни. Молекулярна діагностика, як не крути, вимагає дорогих реагентів та дорогого обладнання, з яким потрібно вміти поводитися. Тому сучасні природничі дослідження - область, в якій далеко не кожен має шанси себе спробувати.
Останнім часом у біології з'явилися дві течії, які ставлять за мету наблизити природничі дослідження до людей, які не працюють у лабораторії і не готові присвятити лабораторним експериментам весь свій час. Перше - рух біохакерів, що виник США кілька років тому [1]. Біохакери практикували біологію в гаражах, купуючи вживане обладнання та проводячи досить складні експерименти «на коліні». Вони хотіли показати людям, що наука може стати ближчою, якщо застосовувати творчий підхід — адже обладнання можна використовувати не найдорожче, можна купити вживане, можна взагалі не купувати, а поміняти на щось або навіть дістати безкоштовно. А «вищий пілотаж»з погляду біохакера - це розібратися в принципах роботи приладу та сконструювати його просту, дешеву, але робочу версію самостійно. Ці ідеї — безперечно здорові та продуктивні, але слід визнати, що біохакерський підхід до науки потребує великих витрат зусиль та часу та придатний далеко не для всіх.
Цілком протилежний підхід до біологічних досліджень пропонують нові «хмарні лабораторії», які нещодавно почали з'являтися у США, наприклад, Transcriptic (рис. 1) та Emerald Cloud Laboratory. Їхні ідеї повністю протилежні біохакерським: вони пропонують будь-кому бажаючому проводити свої експерименти, взагалі не торкаючись пробірок і піпеток. Важливо, що ці лабораторії не просто групи вчених, які за гроші роблять чужі експерименти. Якщо ви зайдете на їх сайти, то побачите автоматичні піпетки, що переміщаються в повітрі, що роз'їжджають самі собою штативи з пробірками та інші механічні пристрої, що справно переливають рідини і скануючі зразки. І це неспроста, адже особливість цих лабораторій — застосування робототехніки, яка гарантує користувачам максимально акуратні результати, що відтворюються.
Відео із сайту Emerald Cloud Laboratory.
Для того щоб провести свій експеримент, можна вибрати протокол із готового набору або перекласти свій власний протокол мовою машинних команд за допомогою спеціального інтерфейсу. Здається, недалекий той день, коли з'явиться сервіс, аналогічно американському Magic [2], що виконує будь-які побажання вчених. Можна буде відправити есемеску: «Синтезувати ген X, клонувати у вектор Y, трансфікувати ним клітини Z і порахувати флуоресціюючі при довжині хвилі λ». Поки що такого сервісу немає, але вже зараз процес замовлення експериментів у «хмарних лабораторіях» ненабагатоскладніше. Результати експериментів надходять електронною поштою в стислі терміни: лабораторія Emerald Cloud, наприклад, вже зараз обіцяє провести дослідження будь-яким методом зі свого списку протягом доби. Що ж є у цьому списку? Набір запропонованих методів включає кілька десятків найменувань (від примітивних автоклавування та термометрування до всіляких хроматографій та ПЛР), а найближчим часом, за обіцянками засновників лабораторії, має розширитися вдвічі. Наразі роботи вже можуть зробити за людину більшу частину рутинних лабораторних завдань, звільняючи людям час на творчі компоненти дослідження — планування та аналіз результатів.
Малюнок 1. Сайт роботизованої лабораторії Transcriptic, що пропонує всім бажаючим провести їх експерименти.
Роботи давно вміють з ідеальною точністю розкопувати розчини по пробірках та плашках, перемішувати їх вміст, змінювати та підтримувати температуру. Їм вдаються й складніші речі — наприклад, вирощування культури клітин ссавців та постановка трансфекцій. Але це лише рівень звичайного студента (який, щоправда, ніколи не помиляється), і його роботи давно пройшли. Вони можуть все більше завдяки розвитку систем, що інтегрують роботу кількох апаратів, що дозволяє автоматизувати цілий експеримент.
Наприклад, платформу фірми Tecan можна забезпечити різними модулями: для переміщення плашки, для розкопування по ній розчинів, для її промивання, для перемішування та інкубації при різних температурах. Це дозволяє повністю автоматизувати, наприклад, процес імуноблотінгу. Апарати фірми Leica самостійно виготовляють препарати для мікроскопії - достатньо завантажити в них зразки тканин. Qiagen пропонує готовусистему, яка може провести всі етапи виділення ДНК із клітин, а потім ще й провести з нею ПЛР. Машини вже можуть самостійно синтезувати біологічні полімери - нуклеїнові кислоти, пептиди та олігосахариди.
Малюнок 2. Пробірки з компонентами для синтезу малих органічних молекул, який Машина Мартіна Берка проводить повністю самостійно. Малюнок [3].
Засновники «хмарних лабораторій» розвивають напрямок автоматизації більш складних процесів, створюючи системи взаємодії роботів між собою. Це і додаткові машини, які переносять зразки між роботами, та програмне забезпечення, яке дозволяє апаратам «розмовляти однією мовою». В результаті виходить повністю автоматична лабораторія, в якій всі експерименти виконуються максимально акуратно та швидко.
Роботи мають й інші переваги — з їх допомогою простіше підбирати умови експерименту, адже автомати можуть змінювати лише один параметр, залишивши значення інших рівно такими ж, як раніше. І звичайно, вони можуть зробити більше повторностей експериментів, не плутаючись через те, що пробірок стало забагато. З переходом на роботизовані лабораторії ми маємо надію вийти з кризи відтворюваності результатів, в якій зараз знаходяться природничі науки. Природничо-наукові експерименти стали такими складними, що часто інші вчені не можуть відтворити результати колег не через те, що їх підтасували, а тому, що колеги не можуть абсолютно докладно описати свої дії. Коли справа доходить до досліджень життя на молекулярному рівні, кожна незначна помилка в обсязі розчину, кожна незначна відмінність в умовах лабораторій, кожна звичка вченого, на яку він вже не звертає уваги, можуть впливати нарезультат. З появою роботизованих лабораторій ці моменти перестануть збивати нас з пантелику. І звичайно, автомат не підтасовуватиме результати: ні тому, що йому час захищати дисертацію, ні тому, що він має своє бачення, який результат красивіший.
Ще одна важлива перевага роботів - зберігання та пошук зразків та даних. Автоматизовані системи не тільки можуть зберігати всі зразки в відповідних умовах, але можуть і підказати, як давно зразок надійшов і яку фасування ферменту настав час перестати зберігати на чорний день. Якщо така система є частиною роботизованої лабораторії, то для кожного зразка ще й буде в подробицях відомо, внаслідок яких операцій він був отриманий. Для звичайних «людських» лабораторій такі системи також можуть бути корисними. Їхньою розробкою займається і Transcriptic, і Emerald Cloud Laboratory [5, 6]. Спеціальні пристрої для зручного пошуку зразків виготовляє Leica.
Що цікаво, навіть зараз дослідження в роботизованих лабораторіях коштують несуттєво дорожче або навіть дешевше за експерименти, що проводяться класичним чином. Вчені поступово починають довіряти роботам рутинні роботи: так, у роботизованій лабораторії провели клонування, мутагенез та скринінги для створення біосенсору, що визначає хімічний склад олії (за цю розробку вчені, які придумали сенсор, навіть отримали премію) [7]. Щасливчикам не довелося повторювати багато рутинних молекулярно-біологічних процедур, щоб реалізувати свою ідею. Все більше з'являється публікацій, дані для яких були отримані з використанням автоматизованих систем, адже навіть окремі апарати, які встановлюються у звичайних лабораторіях, роблять роботу вчених менш нудною, а дані більш точними.
Чи не витіснять роботи людей із лабораторійзовсім? Навряд чи творчий процес перегортання Pubmed'a за ранковою чашкою чаю, переходу по десятках посилань, після якого і не пам'ятаєш, з чого все починалося, і нарешті осяяння, чим негайно варто зайнятися, неможливо описати обчислювальними методами [8]. А з поширенням роботизованих лабораторій, які готові проводити акуратні експерименти для всіх бажаючих, ці тонкі задоволення стануть доступні дедалі більшій кількості людей.