Naukowcy z University of Minnesota Twin Cities skonstruowali robota, który wykorzystuje uczenie maszynowe do pełnej automatyzacji skomplikowanego procesu mikroiniekcji wykorzystywanego w badaniach genetycznych.

W swoich eksperymentach naukowcom udało się wykorzystać tego zautomatyzowanego robota do manipulowania genetyką organizmów wielokomórkowych, w tym zarodków muszek owocowych i danio pręgowanego. Technologia ta pozwoli laboratoriom zaoszczędzić czas i pieniądze, jednocześnie umożliwiając im łatwiejsze przeprowadzanie nowych eksperymentów genetycznych na dużą skalę, które wcześniej nie były możliwe przy użyciu technik ręcznych

Wyniki badania zamieszczono na okładce kwietniowego wydania magazynu z 2024 r GENETYKA, recenzowane czasopismo naukowe o otwartym dostępie. Pracami kierowało dwóch absolwentów inżynierii mechanicznej Uniwersytetu Minnesota, Andrew Alegria i Amey Joshi. Zespół pracuje także nad komercjalizacją tej technologii, aby stała się ona powszechnie dostępna za pośrednictwem start-upu Objective Biotechnology działającego na Uniwersytecie w Minnesocie.

Mikroiniekcja to metoda wprowadzania komórek, materiału genetycznego lub innych czynników bezpośrednio do zarodków, komórek lub tkanek przy użyciu bardzo cienkiej pipety. Naukowcy przeszkolili robota do wykrywania zarodków o wielkości jednej setnej ziarenka ryżu. Po wykryciu maszyna może obliczyć ścieżkę i zautomatyzować proces wtrysku.

Ten nowy proces jest bardziej niezawodny i powtarzalny niż wstrzyknięcia ręczne. Dzięki temu modelowi poszczególne laboratoria będą mogły opracowywać nowe eksperymenty, których nie można byłoby przeprowadzić bez tego typu technologii”.

Suhasa Kodandaramaiah, profesor nadzwyczajny inżynierii mechanicznej i starszy autor badania na Uniwersytecie Minnesota

Zazwyczaj tego typu badania wymagają wysoko wykwalifikowanych techników do wykonania mikroiniekcji, których wiele laboratoriów nie posiada. Ta nowa technologia może zwiększyć możliwości przeprowadzania dużych eksperymentów w laboratoriach, redukując jednocześnie czas i koszty.

„To bardzo ekscytujące dla świata genetyki. Zapisywanie i odczytywanie DNA znacznie się poprawiło w ostatnich latach, ale posiadanie tej technologii zwiększy naszą zdolność do przeprowadzania eksperymentów genetycznych na dużą skalę na szerokiej gamie organizmów” – powiedział Daryl Gohl, specjalista ds. współautor badania, kierownik grupy Laboratorium Innowacji w Centrum Genomiki Uniwersytetu Minnesota i adiunkt naukowy na Wydziale Genetyki, Biologii Komórki i Rozwoju.

Technologię tę można wykorzystać nie tylko w eksperymentach genetycznych, ale może również pomóc w ochronie zagrożonych gatunków poprzez kriokonserwację – technikę konserwacji przeprowadzaną w bardzo niskich temperaturach.

„Możesz używać tego robota do wstrzykiwania nanocząstek do komórek i tkanek, co pomaga w kriokonserwacji, a następnie w procesie ponownego podgrzewania” – wyjaśnił Kodandaramaiah.

Inni członkowie zespołu zwrócili uwagę na inne zastosowania tej technologii, które mogą mieć jeszcze większy wpływ.

„Mamy nadzieję, że tę technologię można ostatecznie zastosować do zapłodnienia in vitro, w którym będzie można wykryć te komórki jajowe na poziomie mikroskali” – powiedział Andrew Alegria, współautor artykułu i asystent naukowy z zakresu inżynierii mechanicznej na Uniwersytecie Minnesota w Biosensing i Laboratorium Biorobotyki.

Oprócz Kodandaramaiaha, Gohla, Alegrii i Joshiego w skład zespołu wchodziło kilku badaczy z College of Science and Engineering Uniwersytetu Minnesota oraz Laboratorium Innowacji Centrum Genomiki Uniwersytetu Minnesota. Zespół niedawno wygrał uniwersytecki konkurs nauk przyrodniczych „Waleye Tank”. Ten konkurs ofert w dziedzinie nauk przyrodniczych zapewnia możliwości edukacyjne i promocyjne powstającym i uznanym firmom z branży medycznej i nauk przyrodniczych.

Badania te przeprowadzono we współpracy z Engineering Research Center for Advanced Technologies for the Preservation of Biological Systems (ATP-Bio) i University of Minnesota Zebrafish Core.

Artykuł został sfinansowany przez Narodowy Instytut Zdrowia, Minnesota Sea Grant i National Science Foundation. Dodatkowego wsparcia udzieliło stypendium Uniwersytetu Minnesota Diversity of Views and Experiences (DOVE) oraz stypendium Minnesota Discovery, Research, and Innovation Economy (MnDRIVE) Instytutu Informatyki Uniwersytetu Minnesota (UMII).