В работе использовались являются одноклеточные эукариотические дрожжи Saccharomyces cerevisiae (их обычно применяют в производстве пива и хлеба), бактерия Escherichia coli и другие микробы, используемые в коммерческих биотехнологиях, а также клетки яичников китайского хомяка (CHO), используемые для производства лекарств на основе антител и вакцина.
В 2020 году Росс Кинг, профессор машинного интеллекта Технологического университета Чалмерса в Гетеборге, Швеция, и разработчик «Адама» и «Евы» — первых ученых-роботов, предложил ученому Джону Виксво принять участие в работе по созданию робота-ученого третьего поколения Genesis. По задумке Кинга, Виксво должен был разработать тысячи миниатюрных автономных хемостатов, которые будут использоваться для понимания метаболизма и передачи сигналов дрожжей.
Как известно, 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 человека является пока сложной задачей для ученых. Поэтому Виксво начал работу с Saccharomyces cerevisiae — эти дрожжи имеют всего 6275 генов и уже давно изучаются биологами из-за своих общих сходств со многими системами млекопитающих. Большие библиотеки штаммов Saccharomyces cerevisiae были созданы с одним или несколькими инактивированными или сверхэкспрессированными генами, и в большинстве биологических процессов участвуют только несколько из них. Однако количество возможных экспериментов даже с этим простым одноклеточным организмом намного превышает возможности ученых, использующих стандартные лабораторные методы.
По задумке Кинга, Genesis должен объединить передовые технологии микрофлюидной и масс-спектрометрии, разработанные Виксво, с программным обеспечением искусственного интеллекта, разработанным самим Кингом, которое формулирует биологическую гипотезу, после чего выбирает, разрабатывает, проводит и анализирует эксперименты и уточняет математическую модель микроба. Привлекательность Genesis состоит в том, что он сможет одновременно проводить тысячу и более независимых экспериментов.
«Впервые мы сможем одновременно изучать сотни различных профилей лекарств. Проводя одновременно все эти эксперименты, искуственный интеллект в Genesis будет формулировать научную гипотезу, основанную на компьютерном представлении биологической модели», — объяснил Викскво.
В основе Genesis лежат микрожидкостные насосы и клапаны, а также микроконтроллеры и программное обеспечение, управляющее ими. В отличие от производства хлеба , пивоварения или выращивания дрожжей в более ранних роботах «Адама» и «Евы», хемостат обеспечивает непрерывный поток питательные вещества и вымывает отходы и любые дрожжи, которые в него не помещаются. Genesis сможет выполнить множество измерений, необходимых для освещения неизвестных сейчас микробных метаболических и сигнальных путей.
По словам Викскво, он предвидит множество будущих применений Genesis, помимо 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».
Вклад в исследования биологии дрожжей, а также в разработку и эксплуатацию хемостата также внесли Эрик Спайви, соруководитель и доцент кафедры биомедицинской инженерии в Вандербильте, и Евгения Тюкова, научный сотрудник отдела биологии и биологической инженерии в Чалмерсе.
Читать далее
Самое большое генеалогическое древо человечества показало историю нашего вида
Разработано экологически чистое топливо на основе диоксида углерода