Облачная лаборатория
Подход к автоматизации лабораторий естественных наук

Облачная лаборатория — это высокоавтоматизированная централизованная исследовательская лаборатория, где ученые могут проводить эксперименты с удаленного компьютера. [1] [2] [3] Облачные лаборатории предлагают проведение экспериментов по исследованию естественных наук в рамках модели облачного сервиса вычислений , что позволяет исследователям сохранять полный контроль над экспериментальным дизайном. [4] [5] Пользователи создают экспериментальные протоколы с помощью высокоуровневого API , и эксперимент выполняется в облачной лаборатории без необходимости участия пользователя. [1] [5]

Облачные лаборатории снижают изменчивость экспериментального выполнения, поскольку код может быть опрошен, проанализирован и выполнен многократно. [2] Они демократизируют доступ к дорогостоящему лабораторному оборудованию, стандартизируя экспериментальное выполнение, что потенциально может помочь решить кризис репликации [4] [6] [7] — то, что раньше могло быть описано в статье как «смешать образцы», заменяется инструкциями для определенной машины смешивать с определенной скоростью вращения в течение определенного времени, с регистрацией соответствующих факторов, таких как температура окружающей среды. [8] Они также снижают затраты, распределяя капитальные затраты между многими пользователями, проводя эксперименты параллельно и сокращая время простоя приборов. [7] Наконец, они облегчают совместную работу, упрощая обмен протоколами, данными и методами обработки данных через облако. [6]

Инфраструктура

Облачные лаборатории используют общие научные методы, включая секвенирование и генотипирование ДНК , высокоэффективную жидкостную хроматографию (ВЭЖХ), экстракцию белка , считывание пластин , биообработку в восходящем направлении и вестерн-блоттинг . [3] [9] [10] [11] Пользователи начинают с регистрации и входа в веб-интерфейс программного обеспечения. [5] Исследователи отправляют свои протоколы через специальное веб-приложение или через API, и когда заказ поступает в лабораторию, операторы-люди настраивают эксперимент и переносят пластины с машины на машину. Данные автоматически загружаются в облачную лабораторию через API, где пользователи могут получить к ним доступ и проанализировать их. Пользователи могут просматривать элементы управления, настройки машины и используемые реагенты . [10] Несколько экспериментов могут проводиться параллельно, 24 часа в сутки. [9] [12] [13]

Настоящая облачная лаборатория определяется пятью критериями: [14] [15]

  1. Пользователи должны иметь возможность проводить эксперименты по требованию в любое время и из любого места, используя компьютерный интерфейс.
  2. Облачная лаборатория должна позволить пользователю в цифровом виде воспроизвести опыт пребывания в традиционной лаборатории и ручного управления инструментами. Она должна позволить пользователям определять все аспекты своих экспериментов удаленно без времени на подготовку, дополнительного программного обеспечения или внешних экспертов
  3. Пользователи должны иметь доступ по требованию ко всем инструментам, необходимым для проведения эксперимента, что делает физическую лабораторию ненужной.
  4. Пользователи должны иметь возможность выполнять подготовку образцов , а также их хранение и обработку удаленно.
  5. Пользователи должны иметь возможность создавать сценарии и объединять несколько экспериментов, а также проводить анализ данных, используя единый стандартизированный компьютерный интерфейс.

Использование облачной лаборатории против высокопроизводительного эксперимента

Высокопроизводительные эксперименты предполагают увеличение производительности путем масштабирования количества экспериментов, которые могут быть запущены параллельно с использованием общего форм-фактора образца и техники. [16] [17] Когда пространство или материалы ограничены, второстепенные факторы должны быть назначены для постепенно меньших фракций, чтобы увеличить количество повторов. [18] Облачные лаборатории, с другой стороны, не масштабируют принципиально один эксперимент, а скорее увеличивают количество типов экспериментов, которые могут быть запущены параллельно. [19] Например, с помощью облачной лаборатории ученый может одновременно пробовать десятки различных методов очистки, каждый из которых использует совершенно уникальные наборы оборудования. [15]

Иногда к рабочим ячейкам HTE можно получить удаленный доступ для запуска прогона в библиотеке или цифрового мониторинга прогона. Однако этот удаленный мониторинг или запуск экрана не влияет на разработку, которая должна быть выполнена до прогона. [16] Часто с HTE ученые должны группировать образцы в библиотеки, которые используют одинаковые или очень похожие контейнеры форм-фактора, чтобы рабочая ячейка могла легче перемещать и обрабатывать каждый образец интегрированным образом. [16] Поэтому ученым необходимо стандартизировать форм-факторы образцов и выполнять подготовку образцов в автономном режиме рабочей ячейки. Облачные лаборатории могут работать с образцами в сотнях или даже тысячах уникальных контейнеров, обеспечивая дополнительную гибкость по сравнению с традиционными лабораториями (даже теми, которые используют HTE) и позволяя обрабатывать большее количество образцов. [15]

Облачные лаборатории призваны заменить двигатель традиционной лабораторной работы, предоставляя ученым возможность выполнять тот же тип работы, который они обычно выполняют в традиционной лаборатории, за исключением того, что они не ограничены по времени и лабораторному пространству. [20] [21]

История

Облачные лаборатории были созданы на основе достижений в области автоматизации лабораторий в 1990-х годах. В начале 1990-х годов проект модульности Консорциума автоматизированных аналитических лабораторных систем работал над определением стандартов, по которым производители биотехнологий могли бы производить продукты, которые можно было бы интегрировать в автоматизированные системы. [22] В 1996 году Национальный комитет по стандартам клинических лабораторий (ныне Институт клинических и лабораторных стандартов ) предложил стандарты автоматизации лабораторий, направленные на то, чтобы потребители лабораторных технологий могли приобретать оборудование и программное обеспечение у разных поставщиков и беспрепятственно подключать их друг к другу. [23] Комитет создал пять подкомитетов в 1997 году и выпустил протоколы стандартизации для руководства разработкой продуктов в начале 2000-х годов. [24] [25]

Эти ранние разработки в области взаимодействия привели к появлению первых примеров автоматизации лабораторий с использованием облачной инфраструктуры, таких как робот-ученый « Адам » в 2009 году. Этот робот инкапсулировал и соединил все лабораторное оборудование, необходимое для проведения экспериментов с микробными партиями. [26]

В 2010 году D. J. Kleinbaum и Brian Frezza основали антивирусного разработчика Emerald Therapeutics. Чтобы упростить лабораторные испытания, группа написала централизованное программное обеспечение для управления своей коллекцией научных инструментов и базу данных для хранения всех метаданных и результатов. [27] [3]

В 2012 году Transcriptic основала роботизированную облачную лабораторию для научных исследований по запросу, которая выполняла отдельные задачи, включая клонирование ДНК, удаленно. [28]

В 2014 году компания Emerald Therapeutics выделила Emerald Cloud Lab , чтобы полностью заменить необходимость в традиционной лабораторной среде, предоставив ученым со всего мира возможность выполнять все необходимые действия — от экспериментального проектирования до сбора и анализа данных. [29]

Научный колледж Меллона Университета Карнеги — Меллона строит первую в мире академическую облачную лабораторию на территории своего кампуса. [30] Лаборатория площадью 20 000 квадратных футов будет завершена в 2023 году и предоставит доступ исследователям CMU, а в конечном итоге и другим школам и стартапам в области естественных наук в Питтсбурге. [31] [3]

Риски

Легкий доступ к сложным лабораториям может быть потенциальной угрозой биобезопасности или биотерроризма. Филиппа Ленцос , эксперт по биологическому риску и биобезопасности, сказала: «Есть несколько довольно сумасшедших людей... Барьеры рушатся, если вы хотите намеренно сделать что-то вредное». Облачные лаборатории говорят, что они проверяют все запланированные эксперименты и могут пометить или отклонить любые, которые кажутся незаконными или опасными, и что подробное ведение записей делает мониторинг того, что делается, проще, чем в традиционной лаборатории. [8]

Ссылки

  1. ^ ab Jessop-Fabre, Mathew M; Sonnenschein, Nikolaus (11 февраля 2019 г.). «Улучшение воспроизводимости в синтетической биологии». Frontiers in Bioengineering and Biotechnology . 7. Frontiers Media SA: 18. doi : 10.3389 /fbioe.2019.00018 . ISSN  2296-4185. PMC  6378554. PMID  30805337.
  2. ^ ab Грот, Пол; Кокс, Джессика (8 ноября 2017 г.). «Индикаторы использования роботизированных лабораторий в базовых биомедицинских исследованиях: анализ литературы». PeerJ . 5 : e3997. doi : 10.7717/peerj.3997 . ISSN  2167-8359. PMC 5681851 . PMID  29134146. 
  3. ^ abcd Арнольд С (2022). «Облачные лаборатории: где роботы проводят исследования». Nature . 606 (7914): 612– 3. doi : 10.1038/d41586-022-01618-x . PMID  35697877.
  4. ^ ab Bates, Maxwell; Berliner, Aaron J.; Lachoff, Joe; Jaschke, Paul R.; Groban, Eli S. (2 сентября 2016 г.). «Wet Lab Accelerator: веб-приложение, демократизирующее лабораторную автоматизацию для синтетической биологии». ACS Synthetic Biology . 6 (1). Американское химическое общество: 167– 171. doi : 10.1021/acssynbio.6b00108 . ISSN  2161-5063. PMID  27529358.
  5. ^ abc "Лаборатории в облаке". Bulletin of the Atomic Scientists . 3 июля 2019 г. Архивировано из оригинала 4 февраля 2022 г. Получено 9 декабря 2021 г.
  6. ^ ab "Роботизированные облачные лаборатории позволяют ученым работать из дома". The New Stack . 3 апреля 2020 г. Архивировано из оригинала 1 января 2022 г. Получено 9 декабря 2021 г.
  7. ^ ab Wykstra, Stephanie (30 июня 2016 г.). «Роботизированные облачные лаборатории могут стать одним из способов сделать исследования более воспроизводимыми». Журнал Slate . Архивировано из оригинала 6 мая 2022 г. Получено 9 декабря 2021 г.
  8. ^ ab Ireland, Том (11 сентября 2022 г.). «Облачные лаборатории и удаленные исследования — это не будущее науки — они уже здесь». The Guardian .
  9. ^ ab van der Mersch, Vassili (17 мая 2016 г.). «Изучение облачной лаборатории: достижения в области биотехнологий и науки как услуги». API-интерфейсы стран Северной Европы . Архивировано из оригинала 21 января 2022 г.
  10. ^ ab Check Hayden, Erika (3 декабря 2014 г.). «Автоматизированная лаборатория». Nature . 516 (7529): 131– 132. Bibcode :2014Natur.516..131C. doi : 10.1038/516131a . PMID  25471888. Архивировано из оригинала 23 января 2022 г. Получено 9 декабря 2021 г.
  11. ^ «Культура на волне виртуальных НИОКР, последний раунд финансирования позволяет разрабатывать облачные биореакторы». Новости о биофармацевтическом производстве, апстриме, даунстриме . 12 ноября 2021 г. Архивировано из оригинала 15 ноября 2021 г. Получено 9 декабря 2021 г.
  12. ^ Муратидис, Яннис (27 февраля 2019 г.). «Облачная лаборатория, посвященная открытию лекарств от рака». Forbes . Архивировано из оригинала 28 февраля 2019 г. Получено 9 декабря 2021 г.
  13. ^ Segal, Michael (25 сентября 2019 г.). «Операционная система для биологической лаборатории». Nature . 573 (7775): S112 – S113 . Bibcode :2019Natur.573S.112S. doi : 10.1038/d41586-019-02875-z . PMID  31554992. S2CID  202749446. Архивировано из оригинала 26 октября 2021 г. . Получено 9 декабря 2021 г. .
  14. ^ "5 критериев настоящей облачной лаборатории". Drug Discovery & Development . 25 февраля 2022 г. Архивировано из оригинала 6 мая 2022 г. Получено 17 марта 2022 г.
  15. ^ abc "Каковы критерии настоящей облачной лаборатории?". Drug Discovery & Development . 16 марта 2022 г. Архивировано из оригинала 6 мая 2022 г. Получено 17 марта 2022 г.
  16. ^ abc Shevlin M (2019). «Эволюция высокопроизводительного экспериментирования в фармацевтической разработке и перспективы будущего». Org Process Res Dev . 23 (6): 1213– 1242. doi : 10.1021/acs.oprd.9b00140 . S2CID  164744152. Архивировано из оригинала 2022-05-09 . Получено 2022-05-09 .
  17. ^ Mennen S (2017). «Практическое высокопроизводительное экспериментирование для химиков». ACS Med Chem Lett . 8 (6): 601– 607. doi :10.1021/acsmedchemlett.7b00165. PMC 5467193. PMID 28626518.  Архивировано из оригинала 2022-05-09 . Получено 2022-05-09 . 
  18. ^ Шевлин М (2017). «Практическое высокопроизводительное экспериментирование для химиков». ACS Med Chem Lett . 8 (6): 601– 607. doi :10.1021/acsmedchemlett.7b00165. PMC 5467193. PMID  28626518 . 
  19. ^ «Университет Карнеги-Меллона и Emerald Cloud Lab построят первую в мире университетскую облачную лабораторию». CMU.edu . 30 августа 2021 г. Архивировано из оригинала 15 февраля 2022 г. Получено 24 марта 2022 г.
  20. ^ «Разработка лекарств с использованием лаборатории в облаке». Manufacturing Chemist . 29 июля 2021 г. Архивировано из оригинала 25 сентября 2021 г. Получено 9 мая 2022 г.
  21. ^ «Облачное решение для лабораторий обеспечивает доступ к исследовательским технологиям на расстоянии в несколько миль». Outsourcing Pharma . 26 августа 2021 г. Архивировано из оригинала 22 сентября 2021 г. Получено 9 мая 2022 г.
  22. ^ Salit, Marc L.; Guenther, Franklin R.; Kramer, Gary W.; Griesmeyer, J. Michael (15 марта 1994 г.). «Интеграция автоматизированных систем с модульной архитектурой». Аналитическая химия . 66 (6). Американское химическое общество: 361A – 367A . doi :10.1021/ac00078a727. ISSN  0003-2700.
  23. ^ "Отчет комитета NCCLS Area по автоматизации за 4-й квартал 1998 г.". Журнал Ассоциации по автоматизации лабораторий . 3 (6). SAGE Publications: 93. 1998. doi : 10.1177/221106829800300618 . ISSN  1535-5535. S2CID  208147539.
  24. ^ AUTO5A. Лабораторная автоматизация: электромеханические интерфейсы; утвержденный стандарт (отчет). Институт клинических и лабораторных стандартов. 2001.
  25. ^ Хоукер, Чарльз Д.; Шланк, Марк Р. (1 апреля 2000 г.). «Разработка стандартов для автоматизации лабораторий». Клиническая химия . 46 (5). Oxford University Press: 746–750 . doi : 10.1093/clinchem/46.5.746 . ISSN  0009-9147. PMID  10794772.
  26. ^ King, Ross D.; Rowland, Jem; Oliver, Stephen G.; Young, Michael; Aubrey, Wayne; Byrne, Emma; Liakata, Maria; Markham, Magdalena; Pir, Pinar; Soldatova, Larisa N.; Sparkes, Andrew; Whelan, Kenneth E.; Clare, Amanda (3 апреля 2009 г.). «Автоматизация науки». Science . 324 (5923). Американская ассоциация содействия развитию науки: 85– 89. Bibcode :2009Sci...324...85K. doi :10.1126/science.1165620. ISSN  0036-8075. PMID  19342587. S2CID  14948753. Архивировано из оригинала 10 сентября 2022 г. . Получено 13 июня 2022 г.
  27. ^ Vance, Ashlee (3 июля 2014 г.). «Emerald Therapeutics: Biotech Lab for Hire». Bloomberg . Архивировано из оригинала 5 июля 2017 г. Получено 30 октября 2019 г.
  28. ^ "Биотехнологический стартап Transcriptic получает $1,2 млн начального финансирования от Google Ventures и FF Angel". TechCrunch . 13 декабря 2012 г. Архивировано из оригинала 16 декабря 2012 г. Получено 12 декабря 2012 г.
  29. ^ Buhr, Sarah (8 июля 2014 г.). «Emerald Cloud Laboratory экспериментирует с наркотиками в облаке – TechCrunch». TechCrunch . Архивировано из оригинала 10 сентября 2022 г. . Получено 9 декабря 2021 г. .
  30. ^ "Carnegie Mellon Gets $150M Grant for Science and Robotics". GovTech . 27 мая 2021 г. Архивировано из оригинала 9 мая 2022 г. Получено 9 декабря 2021 г.
  31. ^ Кастелланос, Сара (30 августа 2021 г.). «Облачная лаборатория Карнеги-Меллона для автоматизации трудоемких научных экспериментов». The Wall Street Journal . Архивировано из оригинала 5 декабря 2021 г. . Получено 9 декабря 2021 г. .
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Cloud_laboratory&oldid=1236706250"