Ученые собираются построить «лабораторию беспилотных автомобилей» третьего поколения

В работе использовались одноклеточные эукариотические дрожжи Saccharomyces cerevisiae, бактерия Escherichia coli, и другие микробы, используемые в коммерческих биотехнологиях, а также клетки яичников китайского хомяка (CHO).

В 2020 году Росс Кинг, профессор машинного интеллекта Технологического университета Чалмерса в Гетеборге, Швеция, и разработчик «Адама» и «Евы» — первых ученых-роботов, нанял исследователя Джона Виксво для создания робота-ученого третьего поколения Genesis. Виксво обязался предоставить группе Кинга тысячи миниатюрных хемостатов, которые могли бы использоваться для понимания метаболизма и передачи сигналов дрожжей.

У людей около 20 000 генов, от 80 000 до 400 000 белков и миллионы метаболитов, образующихся в результате различных химических реакций, так что создание математической системной биологической модели всех частей представляет собой сложную задачу. Чтобы упростить задачу, первоначальные эксперименты с роботом будут сосредоточены на Saccharomyces cerevisiaeae (также известным, как пивные дрожжи), который имеет 6275 генов и широко изучается биологами из-за его сходства со многими системами млекопитающих. Очень большие библиотеки штаммов Saccharomyces cerevisiaeae были созданы с одним или несколькими инактивированными или сверхэкспрессированными генами. Количество возможных экспериментов даже с этим простым одноклеточным организмом намного превышает возможности ученых, использующих стандартные лабораторные методы. Отсюда и возникла потребность в роботе-ученом.

Genesis объединит передовые технологии микрофлюидной и масс-спектрометрии с программным обеспечением искусственного интеллекта, разработанным группой Кинга, которое формулирует биологическую гипотезу, затем выбирает, разрабатывает, проводит и анализирует эксперименты, уточняет математическую модель микроба и повторяет весь процесс. На каждом этапе Genesis выбирает, какой штамм дрожжей использовать, чем кормить этот штамм, а также температуру, водородный показатель, уровень кислорода и скорость перемешивания для конкретного эксперимента.

В основе Genesis лежат микрожидкостные насосы и клапаны, а также микроконтроллеры и программное обеспечение, ими управляющее. В отличие от производства хлеба, пивоварения или выращивания дрожжей в более ранних роботах «Адама» и «Евы», хемостат обеспечивает непрерывный поток питательных веществ и вымывает отходы и не помещающиеся в него любые дрожжи. Стабильное состояние, происходящее в хемостате, гораздо легче понять, чем постоянно меняющиеся уровни питательных веществ, отходов и экспрессии генов, которые происходят в любом периодическом процессе.

По словам одного из главных исследователей проекта, Джон Маклина, Genesis сможет выполнить множество измерений, необходимых для освещения неизвестных в настоящее время микробных метаболических и сигнальных путей.

Джон Виксво отметил, что он видит множество будущих применений Genesis, кроме экспериментов с одноклеточными организмами.

«В конечном итоге Genesis сможет получать невероятные данные обо всем — от дрожжей и бактерий до чипов органов, культивируемых клеток и, возможно, даже рыбок данио. Он станет универсальной платформой для перфузии, контроля и анализа, позволяющей задавать вопросы и исследовать науку, поэтому его можно будет применять для решения некоторых из самых насущных мировых проблем», — объяснил Виксво.