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Explorando el laboratorio en la nube: avances en biotecnología y ciencia como servicio

 

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No es demasiado difícil imaginar un mundo en el que se acceda a la biología y se modifique a través de llamadas a la API. Esto no solo no es ciencia ficción, sino que las primeras API de ciencia de laboratorio ya están disponibles. Han comenzado a aparecer empresas de ciencia como servicio (SciAAS) , con la intención de acelerar la investigación científica y las mejoras en biotecnología .

Así como Amazon Web Services expone el exceso de infraestructura de Amazon a través de sus API y SDK para alojar el código para cientos de miles de desarrolladores en todo el mundo, ahora se está haciendo lo mismo con el equipo científico ; equipos remotos pueden exponer y consumir la potencia informática e incluso protocolos completos de experimentos de laboratorio.

Al permitir que los investigadores subcontraten el costoso trabajo pesado de realizar experimentos, los equipos ahorran tiempo y dinero sin comprometer la calidad de la investigación científica, reduciendo así la barrera de entrada para las nuevas empresas de biotecnología. Hacer que las pruebas científicas sean eficientes y programables permitirá a cualquiera que tenga las necesidades e ideas, pero que carece de los recursos, convertir sus experimentos en realidad.

Un mercado de experimentos

Los experimentos científicos requieren mucho tiempo y trabajo, y requieren equipo y experiencia que son difíciles de conseguir. Los investigadores a menudo subcontratan los aspectos básicos de estos trabajos a Organizaciones de investigación por contrato (CRO), como universidades o laboratorios comerciales, a fin de liberar tiempo y energía para centrarse en el diseño de experimentos y el análisis de resultados. La subcontratación permite a los propietarios de recursos infrautilizados aprovechar sus instalaciones para los experimentos de otros científicos.

Trabajar con un CRO implica escribir un protocolo de experimento y enviarlo a la instalación para que se realicen los experimentos. El protocolo detalla los materiales, procesos y medidas que sustentan el experimento. El negocio de CRO es un mercado enorme , tan grande como $ 25 mil millones en 2015. Hay CRO especializados para los diferentes tipos de experimentos como bioensayos e investigación clínica . De hecho, encontrar y contratar al CRO adecuado puede ser un desafío, que es donde entra en juego Science Exchange.

Science Exchange es un mercado para experimentos científicos , en otras palabras, un 'Uber para la ciencia'. Las universidades (incluidas la Facultad de Medicina de Harvard y la Universidad Johns Hopkins) y los laboratorios privados ofrecen sus servicios a través del sitio web y los científicos pueden seleccionar una de ellas y ordenar que se realicen experimentos en sus instalaciones. Las empresas biofarmacéuticas como Genzyme utilizan Science Exchange para subcontratar una parte de sus esfuerzos de investigación.

Al igual que puede encontrar un desarrollador web o un diseño gráfico en sitios como Freelancer , los proveedores de servicios en Science Exchange enumeran los servicios que ofrecen en sus perfiles, incluida la inmunohistoquímica y la secuenciación de ARN . Cuando un cliente publica una nueva solicitud de experimento en Science Exchange, los CRO relevantes pueden ofertar por ella. Science Exchange se encarga de los detalles contractuales y facilita los pagos a través de su sitio web. Cada proveedor de servicios está preaprobado por el personal de Science Exchange y tiene una puntuación de reputación.

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Computación en la nube

Cuando se trata de datos moleculares, la cantidad de procesamiento numérico que tiene lugar da nueva vida al término Big Data . Para evitar que cada laboratorio tenga que gestionar su propia infraestructura, se han creado plataformas que permiten a los científicos subcontratar la parte informática de su investigación.

Agave es una plataforma que se centra en experimentos en los que los datos son abundantes y la potencia informática es importante. Promueve el movimiento Ciencia Abierta y facilita el intercambio entre bioinformáticos. Originalmente se concibió mientras se construía la infraestructura para un ambicioso proyecto para comparar datos de frecuencia genética de animales en diferentes especies.

Agave está financiado y administrado públicamente por la Universidad de Texas. Tiene un catálogo de API científicas que los usuarios pueden aprovechar y ofrece una infraestructura de nube gratuita basada en contenedores Docker para científicos.

En un mundo donde el código científico generalmente no es portátil, Docker permite que las imágenes se publiquen en registros y se reutilicen como plantillas para los experimentos de otra persona. Este enfoque tiene el potencial de ayudar a compartir los resultados y procesos del estudio con mayor facilidad. De hecho, un científico puede crear una nueva simulación basada en una imagen de Docker proporcionada por un colega.

El laboratorio en la nube

Las empresas que más incorporan la designación 'AWS for Science' seguramente deben ser Transcriptic y Emerald Cloud Lab .

Ambas compañías ofrecen instalaciones de investigación de biología molecular y celular futuristas bajo demanda, impulsadas por API y operadas por robots. Donde Science Exchange une a los científicos con los CRO y Agave permite a los investigadores descargar sus necesidades informáticas en la nube, Transcriptic y Emerald le permiten administrar una instalación biotecnológica completa de forma automática y remota.

"Acceda a un laboratorio de biología celular y molecular completamente automatizado,
todo desde la comodidad de su navegador web".
-Transcriptic.comTranscriptic com

En lugar de contratar CRO, el trabajo pesado de pipetear y transferir líquidos entre máquinas está automatizado, con brazos robóticos haciendo los honores con poca intervención humana. Los clientes envían órdenes de trabajo a través de una interfaz de usuario o una llamada a la API y reciben comentarios sobre los datos en cada paso del experimento.

La idea subyacente es que muchos experimentos en biología utilizan las mismas operaciones básicas en diferentes materiales y en una secuencia diferente. Un experimento típico implica centrifugación , lectura de placas y una pequeña cantidad de otras operaciones que se pueden manejar en secuencia y completamente automatizadas.

El aspecto más impresionante de estas empresas es que ambas están prosperando en esta ambiciosa búsqueda de marcar el comienzo de una nueva era de emprendimiento en ciencias de la vida , en la que un pequeño equipo con problemas de liquidez puede crear y administrar una empresa farmacéutica rentable desde una computadora portátil, como lo que se puede lograr hoy en las startups web. La Universidad de Stanford, la Universidad de Berkeley, la Universidad de UC Davis y DeskGen (una startup de edición de genes) ya están usando Transcriptic.

Su objetivo es cambiar la forma en que se realiza la investigación, compensando drásticamente los costos cada vez mayores de los ensayos clínicos, automatizando el tedioso trabajo de laboratorio y acelerando la investigación mediante la ejecución de experimentos en paralelo. Actualmente ofrecen protocolos comunes como PCR para genotipar muestras de animales, síntesis de ADN / ARN y extracción de proteínas . Los experimentos más complejos o personalizados aún se delegan mejor a un CRO, pero en el futuro todos los experimentos se pueden realizar de esta manera.

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También es probable que cambie la forma en que los científicos planifican los experimentos. Con la ciencia operada por humanos, cada paso adicional en un proceso de laboratorio incurre en un costo exponencial y aumenta la probabilidad de error humano y desviación del protocolo. Las API como Transcriptic liberarán a los investigadores de estos compromisos y conducirán a muchos más experimentos.

En particular, este enfoque novedoso abre la posibilidad de reproducir de manera económica y eficiente experimentos científicos pasados, lo que es un problema desconcertante en el campo. También promete reducir drásticamente el tiempo y el costo de obtener nuevos medicamentos farmacéuticos en el mercado. Dado que se monitorea cada parte del experimento, Transcriptic y Emerald permiten a los científicos volver a ejecutar experimentos pasados ​​con parámetros ajustados, explorando fácilmente escenarios hipotéticos que anteriormente se habrían dejado como signos de interrogación.

Si bien aún no es una buena opción para los biólogos generalistas, las soluciones de biología en la nube como Transcriptic y Emerald atraerán a las nuevas empresas de biotecnología y a los profesionales de la biología que se duplican como programadores.

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Una ventana al futuro

Estos son tiempos emocionantes para estar en biotecnología. Empresas como 23andMe han demostrado que se podría construir un nuevo tipo de empresa en este campo con su servicio de análisis de ADN, utilizando una combinación de biología y tecnología de la información para crear un producto que se habría considerado ciencia ficción hace solo unos años. La edición de genes también está comenzando a surgir y promete cambiar la forma en que pensamos sobre nuestros cuerpos.

Otras empresas como Zymergen están descubriendo cómo escalar la investigación científica. Zymergen crea robots que pueden realizar manipulaciones de ADN en microbios, que a su vez se utilizan en la fabricación de compuestos químicos con el objetivo de ampliar la fabricación.

Hay indicios de que el cambio cultural también es inminente en la investigación científica. La crisis de reproducibilidad se puede abordar haciendo que los experimentos sean más fáciles de reproducir utilizando Science Exchange o Transcriptic, y se están haciendo disponibles nuevos métodos de financiamiento para contrarrestar la tóxica tradición de “publicar o perecer” en el mundo académico. Actualmente, los científicos necesitan publicar los resultados de los estudios con frecuencia para garantizar la financiación pública, y esto tiene efectos perjudiciales sobre el tipo de ciencia en la que se trabaja y entra en conflicto con el pensamiento a largo plazo y otras prioridades como la enseñanza. Los sitios de crowdfunding como Experiment ofrecen un medio alternativo de financiación.

Están surgiendo muchos avances tecnológicos para ayudar a los científicos a establecer y gestionar experimentos. Los laboratorios pequeños pueden obtener algunos de los beneficios de una solución como Transcriptic en casa mediante el uso de robots como OpenTrons OT-One . Las instalaciones sofisticadas tendrán más opciones que nunca. Para cada experimento, podrán elegir entre automatización en las instalaciones , subcontratación a un CRO o algo como Transcriptic o Emerald.

Ahora que los experimentos se pueden iniciar y monitorear con llamadas a API, se pueden integrar en flujos de trabajo e incluso productos . Riffyn es otra empresa destacada en este espacio. Se especializa en análisis y diseño de procesos para ayudar a los científicos a diseñar experimentos y recopilar datos en cada paso, identificando puntos débiles en un proceso para realizar mejoras y evitar el ruido experimental .

Habrá mucho trabajo para los bioinformáticos en los próximos años. Los formatos de datos serán importantes en el futuro y es probable que surja una nueva forma de alfabetización a partir del laboratorio en la nube. Un protocolo estándar abierto para describir experimentos llamado Autoprotocol , desarrollado inicialmente en Transcriptic, tiene como objetivo introducir una capa de representación de datos para bioinformáticos. Así como nombrar cosas es importante en el desarrollo de software, las abstracciones nombradas se arraigarán en la biotecnología.

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