Wszystko po to, by usprawnić pracę laboratoryjną i w skończonym czasie znaleźć wystarczająco dobre rozwiązania wśród milionów kombinacji.

Aby wydajnie przeprowadzać reakcje chemiczne i właściwie kontrolować procesy biochemiczne trzeba znaleźć optymalną technologię, np. dobrać odczynniki i katalizatory w odpowiednich proporcjach i zapewnić właściwe warunki reakcji. Skąd jednak wiedzieć, które warunki będą sprzyjające? Im więcej składników i warunków reakcji, tym większa trudność zadania. A czasem należy szukać rozwiązania wśród milionów, miliardów czy kwadrylionów kombinacji.

W tym może pomóc inteligentny system badań przesiewowych AGAMEDE.

W jego ramach doświadczenia biochemiczne są przeprowadzane przez roboty i automatyczne instrumenty naukowe. Maszyny w każdej z tysięcy próbek dodają różne proporcje odczynników. Reakcje przeprowadzane są przy tym z tak dużą precyzją i przy tak niewielkich mikrolitrowych ilościach, że nie dałoby się ich uzyskać ręcznie. W odpowiednim momencie próbki automatycznie analizowane są w systemie obrazowania mikroskopowego albo badane pod kątem właściwości fizykochemicznych takich jak luminescencja, absorbancja czy fluorescencja.

Najważniejszym krokiem jest analiza wyników przez system sztucznej inteligencji Gene Game opracowany przez polski startup Labomatica. Firma prowadzona przez kilkunastoosobową grupę poznańskich biotechnologów i inżynierów w tegorocznym targach automatyki laboratoryjnej SLAS w Kalifornii znalazła się w grupie najbardziej innowacyjnych startupów biotechnologicznych na świecie. Gene Game szuka w wynikach z próbek pewnych zależności. Na podstawie tych danych - decyduje, jak przeprowadzić kolejną turę eksperymentów - np. zmniejszyć ilość substancji A oraz C albo zwiększyć stężenie substancji B oraz D. Robotom zadawane są wtedy automatycznie nowe polecenia, jak napełniać płytki mikrotestowe i jak prowadzić eksperyment. I eksperymenty przeprowadza się w kolejnych turach - coraz bardziej zbliżając się do optymalnej odpowiedzi.

Rozwiązanie przetestowano już do poszukiwań warunków kultur in vitro komórek transgenicznego tytoniu do optymalnej produkcji białka GFP, znajdując formulację medium do wydajnej produkcji leków, enzymów i szczepionek.

"AGAMEDE to jeden z nielicznych na świecie kombinatorycznych systemów przesiewowych, które umożliwiają optymalizację bioprocesów w trybie zamkniętej pętli" - mówi w rozmowie z PAP dr Radosław Pilarski z Instytutu Chemii Bioorganicznej PAN. I dodaje: "System jest o tyle wyjątkowy, że integruje kilkadziesiąt instrumentów naukowych, ma bardzo dużą wydajność i możliwość przeszukiwania ogromnych przestrzeni wielowymiarowych w poszukiwaniu rozwiązań problemów naukowych, optymalizacji bioprocesów i opracowywaniu spersonalizowanych terapii ". Tłumaczy, że część systemu to elementy gotowe, dostępne na rynku. Wyzwaniem było jednak połączyć i uzyskać zintegrowany system.

Dr Radosław Pilarski zauważa, że nowoczesne laboratoria dysponują już często robotami, które przeprowadzają za nich reakcje. Kiedy jednak badacze uzyskują wyniki dziesiątek eksperymentów, zwykle sami je analizują i decydują, co dalej. A wówczas często do głosu dochodzi ludzka subiektywna intuicja. To zaś do przeczesywania miliardów potencjalnych kombinacji niekoniecznie jest najlepsze narzędzie. Sztuczna inteligencja - a konkretnie system Gene Game - dysponuje algorytmami, którymi sprawnie pozwalają dojść w kolejnych iteracjach doświadczeń do pożądanych wyników. W AGAMEDE zaimplementowano matematyczny moduł wnioskowania, by dostrzec zależności, które umykają człowiekowi. Zadaniem badacza jest zaprojektowanie eksperymentu i wskazanie systemowi, do jakiego rozwiązania ma dążyć. "A AGAMEDE już sama dobierze i wykona trudną i żmudną pracę laboratoryjną i analityczną, aby to uzyskać” - dodaje.

System otrzymał swoją nazwę na cześć starożytnej zielarki AGAMEDE. W Iliadzie Homera (XII w. p.n.e.) wspomniano ją jako muzę Posejdona, która znała uzdrawiającą moc wszystkich ziół i umiała je mieszać, aby leczyć różne choroby. To pierwsza kobietę w Europie, która uprawiała naukę. "Przy projektowaniu AGAMEDE zadbaliśmy o design - stylem postawiliśmy na połączenie antyku z futuryzmem" - komentuje dr Pilarski. System dostał na razie 6 międzynarodowych nagród designerskich, włączając prestiżową iF Design Award.

Partnerami IChB PAN w pracach nad AGAMEDE były firmy: Labomatica, Mitsubishi Electric oraz Perlan Technologies.

Nauka w Polsce, Ludwika Tomala

lt/ agt/