Облачная лаборатория
Облачная лаборатория — это высокоавтоматизированная централизованная исследовательская лаборатория, где ученые могут проводить эксперименты с компьютера в удаленном месте. [1] [2] [3] Облачные лаборатории предлагают проведение в области медико-биологических наук исследовательских экспериментов в рамках модели облачных вычислений , что позволяет исследователям сохранять полный контроль над дизайном экспериментов. [4] [5] высокого уровня Пользователи создают экспериментальные протоколы с помощью API , а эксперимент выполняется в облачной лаборатории без участия пользователя. [1] [5]
Облачные лаборатории уменьшают вариативность при выполнении экспериментов, поскольку код можно запрашивать, анализировать и выполнять повторно. [2] Они демократизируют доступ к дорогостоящему лабораторному оборудованию и одновременно стандартизируют проведение экспериментов, 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, которая должна смешивать при определенной скорости вращения в течение определенного времени с регистрацией соответствующих факторов, таких как температура окружающей среды. [8] Они также сокращают затраты за счет распределения капитальных затрат между многими пользователями, параллельного проведения экспериментов и сокращения времени простоя приборов. [7] Наконец, они облегчают совместную работу, упрощая обмен протоколами, данными и методами обработки данных через облако. [6]
Инфраструктура
[ редактировать ]Облачные лаборатории используют общепринятые научные методы, включая ДНК секвенирование и генотипирование , высокоэффективную жидкостную хроматографию (ВЭЖХ), экстракцию белков , считывание планшетов , предварительную биообработку 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, а когда заказ поступает в лабораторию, люди-операторы ставят эксперимент и переносят планшеты с машины на машину. Данные автоматически загружаются в облачную лабораторию через API, где пользователи могут получить к ним доступ и проанализировать. Пользователи могут просматривать элементы управления, настройки машины и реагенты . используемые [10] Несколько экспериментов можно проводить параллельно, 24 часа в сутки. [9] [12] [13]
Настоящая облачная лаборатория определяется пятью критериями: [14] [15]
- Пользователи должны иметь возможность проводить эксперименты по требованию в любое время и в любом месте, используя компьютерный интерфейс.
- Облачная лаборатория должна позволить пользователю в цифровом виде воспроизвести опыт пребывания в традиционной лаборатории и ручного управления приборами. Он должен позволять пользователям определять все аспекты своих экспериментов удаленно, без затрат времени, дополнительного программного обеспечения или внешних экспертов.
- Пользователи должны иметь доступ по требованию ко всем инструментам, необходимым для проведения экспериментов, что делает ненужной физическую лабораторию .
- Пользователи должны иметь возможность выполнять подготовку проб , а также их хранение и обработку удаленно.
- Пользователи должны иметь возможность создавать сценарии и связывать несколько экспериментов, а также проводить анализ данных, используя единый стандартизированный компьютерный интерфейс.
Использование облачной лаборатории или эксперименты с высокой пропускной способностью
[ редактировать ]Эксперименты с высокой производительностью подразумевают увеличение производительности за счет увеличения количества экспериментов, которые можно проводить параллельно, используя общий форм-фактор образца и методику. [16] [17] Когда пространство или материалы ограничены, второстепенные факторы необходимо назначать постепенно меньшим фракциям, чтобы увеличить количество повторов. [18] Облачные лаборатории, с другой стороны, не приводят к фундаментальному масштабированию отдельного эксперимента, а скорее увеличивают количество типов экспериментов, которые можно проводить параллельно. [19] Например, с помощью облачной лаборатории учёный может одновременно опробовать десятки различных методов очистки, каждый из которых использует совершенно уникальные наборы оборудования. [15]
К рабочим ячейкам HTE иногда можно получить удаленный доступ, чтобы запустить прогон в библиотеке или провести цифровой мониторинг прогона. Однако этот удаленный мониторинг или запуск экрана не влияет на разработку, которую необходимо выполнить перед запуском. [16] Часто при использовании HTE ученым приходится группировать образцы в библиотеки, которые используют одинаковые или очень похожие контейнеры форм-фактора, чтобы рабочей ячейке было легче передавать и обрабатывать каждый образец интегрированным образом. [16] Поэтому ученым необходимо стандартизировать форм-факторы образцов и осуществлять подготовку образцов в автономном режиме в рабочей ячейке. Облачные лаборатории могут работать с образцами в сотнях или даже тысячах уникальных контейнеров, что обеспечивает дополнительную гибкость по сравнению с традиционными лабораториями (даже теми, которые используют HTE) и позволяет обрабатывать большее количество образцов. [15]
Облачные лаборатории призваны заменить движущую силу традиционной лабораторной работы, предлагая ученым возможность выполнять тот же тип работы, который они обычно выполняют в традиционной лаборатории, за исключением отсутствия ограничений по времени и лабораторному пространству. [20] [21]
История
[ редактировать ]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 клиническим лабораторным стандартам (ныне Институт клинических и лабораторных стандартов ) предложил стандарты автоматизации лабораторий, целью которых было дать потребителям лабораторных технологий возможность приобретать аппаратное и программное обеспечение у разных поставщиков и беспрепятственно соединять их друг с другом. [23] В 1997 году комитет создал пять подкомитетов и выпустил протоколы стандартизации, которые будут служить руководством для разработки продуктов в начале 2000-х годов. [24] [25]
Эти ранние разработки в области совместимости 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 периодических экспериментов с микробами. [26]
В 2010 году DJ Кляйнбаум и Брайан Фрезза основали разработчика противовирусных препаратов Emerald Therapeutics. Чтобы упростить лабораторные испытания, группа написала программное обеспечение для централизованного 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 требованию, которая выполняла отдельные задачи, включая клонирование ДНК. удаленное [28]
В 2014 году Emerald Therapeutics открыла лабораторию Emerald Cloud Lab , чтобы полностью заменить необходимость в традиционной лабораторной среде, предоставив ученым со всего мира возможность выполнять все необходимые действия: от разработки экспериментов до сбора и анализа данных. [29]
Карнеги-Меллона Университета Научный колледж Меллона строит на территории своего кампуса первую в мире академическую облачную лабораторию. [30] Лаборатория площадью 20 000 квадратных футов будет завершена в 2023 году и предоставит доступ исследователям CMU, а затем и другим школам и стартапам в области биологических наук в Питтсбурге. [31] [3]
Риски
[ редактировать ]Легкий доступ к современным лабораториям может стать потенциальной угрозой биобезопасности или биотерроризма. Филиппа Ленцос , эксперт по биологическим рискам и биобезопасности, сказал, что «есть довольно сумасшедшие люди… Барьеры рушатся, если вы хотите намеренно сделать что-то вредное». Облачные лаборатории заявляют, что они проверяют все запланированные эксперименты и могут отмечать или отклонять любые, которые кажутся незаконными или опасными, а детальное ведение записей упрощает мониторинг того, что делается, чем в традиционной лаборатории. [8]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б Джессоп-Фабр, Мэтью М; Зонненшайн, Николаус (11 февраля 2019 г.). «Улучшение воспроизводимости в синтетической биологии» . Границы биоинженерии и биотехнологии . 7 . Frontiers Media SA: 18. doi : 10.3389/fbioe.2019.00018 . ISSN 2296-4185 . ПМК 6378554 . ПМИД 30805337 .
- ^ Jump up to: а б Грот, Пол; Кокс, Джессика (8 ноября 2017 г.). «Показатели использования роботизированных лабораторий в фундаментальных биомедицинских исследованиях: анализ литературы» . ПерДж . 5 : е3997. дои : 10.7717/peerj.3997 . ISSN 2167-8359 . ПМК 5681851 . ПМИД 29134146 .
- ^ Jump up to: а б с д Арнольд С. (2022). «Облачные лаборатории: где роботы проводят исследования» . Природа . 606 (7914): 612–3. дои : 10.1038/d41586-022-01618-x . ПМИД 35697877 .
- ^ Jump up to: а б Бейтс, Максвелл; Берлинер, Аарон Дж.; Лачофф, Джо; Яшке, Пол Р.; Гробан, Эли С. (2 сентября 2016 г.). «Ускоритель влажной лаборатории: веб-приложение, демократизирующее автоматизацию лабораторий для синтетической биологии» . ACS Синтетическая биология . 6 (1). Американское химическое общество: 167–171. doi : 10.1021/acsynbio.6b00108 . ISSN 2161-5063 . ПМИД 27529358 .
- ^ Jump up to: а б с «Лаборатории в облаке» . Бюллетень ученых-атомщиков . 3 июля 2019 года. Архивировано из оригинала 4 февраля 2022 года . Проверено 9 декабря 2021 г.
- ^ Jump up to: а б «Роботизированные облачные лаборатории позволяют ученым работать из дома» . Новый стек . 3 апреля 2020 года. Архивировано из оригинала 1 января 2022 года . Проверено 9 декабря 2021 г.
- ^ Jump up to: а б Викстра, Стефани (30 июня 2016 г.). «Роботизированные облачные лаборатории могут стать одним из способов сделать исследования более воспроизводимыми» . Журнал «Сланец» . Архивировано из оригинала 6 мая 2022 года . Проверено 9 декабря 2021 г.
- ^ Jump up to: а б Ирландия, Том (11 сентября 2022 г.). «Облачные лаборатории и удаленные исследования — это не будущее науки — они уже здесь» . Хранитель .
- ^ Jump up to: а б ван дер Мерш, Василий (17 мая 2016 г.). «Изучение облачной лаборатории: достижения в области биотехнологий и науки как услуги» . Скандинавские API . Архивировано из оригинала 21 января 2022 года.
- ^ Jump up to: а б Проверьте Хайден, Эрика (3 декабря 2014 г.). «Автоматизированная лаборатория» . Природа . 516 (7529): 131–132. Бибкод : 2014Natur.516..131C . дои : 10.1038/516131а . ПМИД 25471888 . Архивировано из оригинала 23 января 2022 года . Проверено 9 декабря 2021 г.
- ^ «Культура на волне виртуальных исследований и разработок, последний раунд финансирования позволяет разрабатывать облачные биореакторы» . Новости биофармацевтического производства, добычи и переработки . 12 ноября 2021 г. Архивировано из оригинала 15 ноября 2021 г. Проверено 9 декабря 2021 г.
- ^ Муратидис, Яннис (27 февраля 2019 г.). «Облачная лаборатория, посвященная открытию лекарств от рака» . Форбс . Архивировано из оригинала 28 февраля 2019 года . Проверено 9 декабря 2021 г.
- ^ Сигал, Майкл (25 сентября 2019 г.). «Операционная система для биологической лаборатории» . Природа . 573 (7775): С112–С113. Бибкод : 2019Natur.573S.112S . дои : 10.1038/d41586-019-02875-z . ПМИД 31554992 . S2CID 202749446 . Архивировано из оригинала 26 октября 2021 года . Проверено 9 декабря 2021 г.
- ^ «5 критериев настоящей облачной лаборатории» . Открытие и разработка лекарств . 25 февраля 2022 года. Архивировано из оригинала 6 мая 2022 года . Проверено 17 марта 2022 г.
- ^ Jump up to: а б с «Каковы критерии настоящей облачной лаборатории?» . Открытие и разработка лекарств . 16 марта 2022 года. Архивировано из оригинала 6 мая 2022 года . Проверено 17 марта 2022 г.
- ^ Jump up to: а б с Шевлин М (2019). «Эволюция высокопроизводительных экспериментов в фармацевтических разработках и перспективы на будущее» . Разработка организационного процесса . 23 (6): 1213–1242. дои : 10.1021/acs.oprd.9b00140 . S2CID 164744152 . Архивировано из оригинала 9 мая 2022 г. Проверено 9 мая 2022 г.
- ^ Меннен С (2017). «Практические высокопроизводительные эксперименты для химиков» . ACS Med Chem Lett . 8 (6): 601–607. doi : 10.1021/acsmedchemlett.7b00165 . ПМК 5467193 . ПМИД 28626518 . Архивировано из оригинала 9 мая 2022 г. Проверено 9 мая 2022 г.
- ^ Шевлин М (2017). «Практические высокопроизводительные эксперименты для химиков» . ACS Med Chem Lett . 8 (6): 601–607. doi : 10.1021/acsmedchemlett.7b00165 . ПМК 5467193 . ПМИД 28626518 .
- ^ «Университет Карнеги-Меллон и лаборатория Emerald Cloud Lab построят первую в мире университетскую облачную лабораторию» . CMU.edu . 30 августа 2021 г. Архивировано из оригинала 15 февраля 2022 г. . Проверено 24 марта 2022 г.
- ^ «Разработка лекарств с использованием облачной лаборатории» . Химик-производитель . 29 июля 2021 г. Архивировано из оригинала 25 сентября 2021 г. Проверено 9 мая 2022 г.
- ^ «Решение для облачной лаборатории расширяет возможности доступа к исследовательским технологиям на расстоянии многих миль» . Аутсорсинг фармацевтики . 26 августа 2021 г. Архивировано из оригинала 22 сентября 2021 г. Проверено 9 мая 2022 г.
- ^ Салит, Марк Л.; Гюнтер, Франклин Р.; Крамер, Гэри В.; Грисмейер, Дж. Майкл (15 марта 1994 г.). «Интеграция автоматизированных систем с модульной архитектурой». Аналитическая химия . 66 (6). Американское химическое общество: 361A–367A. дои : 10.1021/ac00078a727 . ISSN 0003-2700 .
- ^ «Отчет регионального комитета NCCLS по автоматизации за 4-й квартал 1998 г.» . Журнал Ассоциации автоматизации лабораторий . 3 (6). Публикации SAGE: 93. 1998. doi : 10.1177/221106829800300618 . ISSN 1535-5535 . S2CID 208147539 .
- ^ АВТО5А.Автоматизация лабораторий: электромеханические интерфейсы; Утвержденный стандарт (отчет). Институт клинических и лабораторных стандартов. 2001.
- ^ Хокер, Чарльз Д.; Шланк, Марк Р. (1 апреля 2000 г.). «Разработка стандартов автоматизации лабораторий» . Клиническая химия . 46 (5). Издательство Оксфордского университета: 746–750. дои : 10.1093/клинчем/46.5.746 . ISSN 0009-9147 . ПМИД 10794772 .
- ^ Кинг, Росс Д.; Роуленд, Джем; Оливер, Стивен Г.; Янг, Майкл; Обри, Уэйн; Бирн, Эмма; Лиаката, Мария; Маркхэм, Магдалена; Пир, Пинар; Солдатова Лариса Н.; Спаркс, Эндрю; Уилан, Кеннет Э.; Клэр, Аманда (3 апреля 2009 г.). «Автоматизация науки» . Наука . 324 (5923). Американская ассоциация содействия развитию науки: 85–89. Бибкод : 2009Sci...324...85K . дои : 10.1126/science.1165620 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 19342587 . S2CID 14948753 . Архивировано из оригинала 10 сентября 2022 года . Проверено 13 июня 2022 г.
- ^ Вэнс, Эшли (3 июля 2014 г.). «Изумрудная терапия: биотехнологическая лаборатория в аренду» . Блумберг . Архивировано из оригинала 5 июля 2017 года . Проверено 30 октября 2019 г.
- ^ «Биотехнологический стартап Transcriptic получил начальное финансирование в размере 1,2 миллиона долларов от Google Ventures и FF Angel» . ТехКранч . 13 декабря 2012 г. Архивировано из оригинала 16 декабря 2012 г. Проверено 12 декабря 2012 г.
- ^ Бур, Сара (8 июля 2014 г.). «Лаборатория Изумрудного Облака экспериментирует с лекарствами в облаке – TechCrunch» . ТехКранч . Архивировано из оригинала 10 сентября 2022 года . Проверено 9 декабря 2021 г.
- ^ «Карнеги-Меллон получил грант в размере 150 миллионов долларов на развитие науки и робототехники» . Государственные технологии . 27 мая 2021 года. Архивировано из оригинала 9 мая 2022 года . Проверено 9 декабря 2021 г.
- ^ Кастелланос, Сара (30 августа 2021 г.). «Облачная лаборатория Карнеги-Меллона для автоматизации трудоемких научных экспериментов» . Уолл Стрит Джорнал . Архивировано из оригинала 5 декабря 2021 года . Проверено 9 декабря 2021 г.