Agamede rivoluziona la biotecnologia

Sviluppato dall’Institute of Bioorganic Chemistry della Polish Academy of Sciences in collaborazione Mitsubishi Electric, Labomatica e Perlan Technologies, è stato progettato per accelerare considerevolmente la diagnosi del coronavirus SARS-CoV-2 responsabile della malattia CoViD-19.

Grazie alla combinazione fra intelligenza artificiale e la tecnologia di automazione allo stato dell’arte, il sistema è in grado di analizzare 15.000 singoli campioni al giorno. Fra le altre applicazioni spiccano la ricerca di nuovi farmaci, lo sviluppo di terapie antitumorali personalizzate e persino l’elaborazione di formule cosmetiche.

Agamede è considerata la prima scienziata della storia e nessun nome poteva essere più appropriato per il sistema di automazione da laboratorio sviluppato dall’Institute of Bioorganic Chemistry della Polish Academy of Sciences (IBCH PAS). Oltre ad automatizzare le comuni attività di laboratorio, il sistema robotico Agamede combina automazione e IA (Intelligenza Artificiale) per generare un’esclusiva configurazione “a circuito chiuso”. Ciò significa che sono i robot a predisporre le prove, leggere i risultati al momento opportuno e interpretare i dati sfruttando il software Gene Game di Labomatica per preparare in autonomia il successivo ciclo sperimentale. Gli operatori devono solo impostare il quesito, progettare il sistema sperimentale e verificare la correttezza di sequenze e operazioni. Agamede può eseguire analisi ed elaborarne i risultati per 24 ore al giorno.

L’integrazione di IA e automazione in una soluzione ad elevata produttività è una svolta rivoluzionaria. La maggior parte degli attuali sistemi automatizzati ad alto rendimento richiede ancora che un operatore consulti i risultati e pianifichi la successiva batteria di esperimenti dopo il completamento del ciclo, mentre Agamede lo fa di default.

«Il modulo IA consente ad Agamede di interpretare le prove senza interventi da parte dell’uomo – spiega Radosław Pilarski, inventore e ingegnere capo del sistema – ma basandosi unicamente su modelli matematici. Questa soluzione può essere impiegata da laboratori diagnostici centrali, aziende farmaceutiche per lo sviluppo di medicinali, laboratori oncologici in cerca di terapie mirate per i pazienti, o anche reparti R&D di aziende chimiche e biotecnologiche per ottimizzare i bioprocessi».

Progetto Epicell

L’IBCH PAS ha iniziato a sviluppare Agamede nel 2015, destinandolo originariamente a Epicell, un progetto finanziato dal NCBiR (National Centre for Research and Development) nell’ambito del programma “Prevenzione e trattamento delle malattie della civiltà” – Strategmed. Scopo del progetto era quello di sviluppare mezzi specifici per la coltura dei cardiomiciti derivati da cellule staminali pluripotenti indotte (iPSC).

Il consorzio Epicell riunisce l’IBCH PAS, l’Institute of Human Genetics PAS e tre ospedali di Poznañ. Partendo da un solido know-how in materia di modulatori epigenetici e programmazione cellulare, ha condotto studi finalizzati allo sviluppo futuro di metodi per trasformare le iPSC e adattarle agli scopi della medicina rigenerativa. La prima applicazione allo studio è stata, in particolare, l’impianto mirato nel cuore di pazienti che hanno subito un infarto miocardico, con l’obiettivo di riportare la gittata cardiaca ai livelli precedenti all’evento. L’ostacolo principale era il numero di esperimenti richiesti per formulare il corretto mix di modulatori epigenetici a piccole molecole. Una ricetta con 10 componenti e 10 diverse concentrazioni, ad esempio, richiede 10 milioni di esperimenti. «Agamede ci ha messi in condizione di cercare la giusta miscela di composti in un sistema di soluzioni multidimensionale, arrivando allo sviluppo del mezzo di riprogrammazione Epicell One», spiega Wojciech T. Markiewicz, responsabile del progetto Epicell.

15.000 test al giorno

Alla fine di marzo 2020, come noto tutto è cambiato. Consacrato fin dalla fondazione agli acidi nucleici RNA e DNA, l’IBCH PAS ha dirottato tutte le infrastrutture sulla diagnosi del SARS-CoV-2. «Il nostro istituto è stato il primo in Polonia a sviluppare un test per il rilevamento del virus SARS-CoV-2. Applicando da subito le funzioni di automazione di Agamede ai nostri esami, abbiamo messo a punto un protocollo diagnostico ad alto rendimento che consente di verificare 15.000 campioni al giorno. Questo, almeno, è il potenziale, perché l’IBCH PAS, in quanto ente scientifico, non dispone di un laboratorio di diagnosi accreditato. È un risultato straordinario se consideriamo che, con il tradizionale metodo manuale, un tecnico può analizzare al massimo qualche centinaio di campioni al giorno», spiega Marek Figlerowicz, direttore dell’IBCH PAS.

Robot, PLC e software Mitsubishi Electric

Il progetto Agamede è nato in collaborazione con tre partner tecnologici: Mitsubishi Electric, Labomatica e Perlan Technologies. Mitsubishi Electric ha fornito i PLC (controllori logici programmabili), il software MELFA Basic e un robot industriale antropomorfo a braccio lungo, che è il componente cardine del sistema. Gli strumenti robotici integrati consentono di svolgere esperimenti su microscala con micropiastre da 96 a 384 pozzetti, replicando il lavoro di un tecnico di laboratorio che utilizza ininterrottamente gli strumenti di analisi. La procedura si svolge in conformità con i protocolli sperimentali inseriti dall’operatore nel software di gestione.

L’applicazione include anche incubatori per colture cellulari industriali, erogatori di piastre e puntali, stazioni di pipettaggio, etichettatrici, lettori di codici a barre, sigillatori per piastre, lettori per misure in fluorescenza e spettrofotometri. Una delle specificità di Agamede è quella di essere dotato di un microscopio confocale automatico a quattro canali di fluorescenza per HCA (High-Content Analysis). Per la comunità biotecnologica, questo strumento è l’equivalente del telescopio Hubble, ma applicato al microcosmo: invece degli oggetti astronomici, fotografa e analizza milioni di cellule e strutture tissutali con la medesima efficienza e qualità. Il dispositivo è completato da un dispenser acustico che rilascia quantità di liquido nell’ordine dei nanolitri (milionesimi di millilitro) a intervalli rapidissimi, riducendo i costi di ricerca a tutto vantaggio della produttività. In questo modo, è possibile condurre esperimenti sfruttando un catalogo di oltre 115.000 composti chimici.

Una corsa contro il tempo

«Per implementare il primo sistema avanzato di questo tipo in Polonia – afferma Roman Janik, coordinatore delle soluzioni per il settore life science in Polonia – che combina robotica e attrezzature da laboratorio, abbiamo potuto contare su un background internazionale. Il contributo di un’azienda di respiro globale come Mitsubishi Electric, votata ai progetti innovativi, è stato preziosissimo». E sulle tempistiche strettissime del progetto: «Abbiamo dovuto correre contro il tempo per sviluppare una soluzione in grado di ridurre quanto prima il carico di lavoro dei tecnici. Siamo riusciti a raggiungere un volume settimanale di centomila campioni, che comunque è scalabile: un risultato fenomenale!».

La confluenza di più mondi

Tomasz Scholz, Robotics Engineer di Mitsubishi Electric, aggiunge che «l’impresa sarebbe stata ardua anche senza il fattore tempo. Agamede è un progetto interdisciplinare che unisce più mondi: robotica, informatica, design industriale, matematica, biologia, chimica. Le soluzioni di cui è composto sono uniche e innovative. Come in molti altri progetti, la sfida principale era stabilire un obiettivo ben preciso e la via per raggiungerlo. Il segreto è stato trovare un linguaggio tecnico comune, che permettesse a esperti di campi diversi di comunicare sullo stesso piano e chiarire le loro aspettative. Spesso è stato difficile colmare il gap tra l’universo accademico, che ragiona in termini astratti, e quello industriale, che invece segue un modello fisso».

Una nuova visione di laboratorio

Il risultato di questo sforzo congiunto è un sistema non solo funzionale, ma anche interessante dal punto di vista estetico. «Il suo design – spiega Pilarski – rimanda all’antica Grecia ed è un omaggio alle radici del pensiero scientifico nella nostra civiltà, e soprattutto alle donne di scienza».

Pilarski fa notare anche come la pianificazione abbia tenuto conto dello spazio fisico a cui era destinato il sistema. La camera bianca, che garantisce una coltura cellulare asettica e nella maggior parte dei laboratori non ha finestre, è stata sottoposta a un completo restyling, riscrivendo qualsiasi standard. Le ampie finestre, opportunamente sigillate, offrono un’illuminazione ottimale e i pannelli in vetro consentono di osservare e controllare costantemente il sistema senza dover indossare le apposite tute. Il lavoro è ulteriormente semplificato dalle videocamere e dagli schermi in 4K ad alta risoluzione, utili per monitorare Agamede e gli esperimenti da qualsiasi parte del mondo.