Roboter von Mitsubishi Electric und KI in der Biotechnologie

Tausende von Einzelproben können aktuell täglich getestet werden – das Robotersystem AGAMEDE wurde am Institut für Bioorganische Chemie der Polnischen Akademie der Wissenschaften (ICHB PAN) unter Beteiligung von Technologie-Partnern zur Anwendung gebracht: Mitsubishi Electric, Labomatica und Perlan Technologies.

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15,000 no-sweat tests.

15.000 Tests ohne einen Tropfen Schweiß.

Tausende von Einzelproben können aktuell täglich getestet werden – das Robotersystem AGAMEDE wurde am Institut für Bioorganische Chemie der Polnischen Akademie der Wissenschaften (ICHB PAN) unter Beteiligung von Technologie-Partnern zur Anwendung gebracht: Mitsubishi Electric, Labomatica und Perlan Technologies. Es wurde entwickelt, um die Diagnostik von SARS-CoV-2 deutlich zu beschleunigen – aber nicht nur das. Mit seiner Hilfe lassen sich neue Medikamente erforschen, individualisierte Therapien für Krebspatienten entwickeln oder auch kosmetische Rezepturen kreieren. Dank modernster Automatisierungstechnik kombiniert mit Künstlicher Intelligenz.

Künstliche Intelligenz kombiniert mit Automatisierungstechnik.

Der Roboter von Mitsubishi Electric ist die zentrale Komponente der Anlage. Er bedient gemäß den Vorgaben kontinuierlich die Analysegeräte, 15.000 pro Tag, 24/7.

Der Roboter von Mitsubishi Electric ist die zentrale Komponente der Anlage. Er bedient gemäß den Vorgaben kontinuierlich die Analysegeräte, 15.000 pro Tag, 24/7.

AGAMEDE gilt als die erste Wissenschaftlerin der Geschichte. Homer beschrieb sie in der Ilias im 12. Jh. v. Chr. als eine, die mit der Heilkraft aller Kräuter vertraut war und sie richtig zu mischen verstand. Sie ist die Namenspatronin des am Institut für Bioorganische Chemie der Polnischen Akademie der Wissenschaften (ICHB PAN) entwickelten Laborautomatisierungssystems. Das Einzigartige an AGAMEDE liegt nicht in der Automatisierung der Laborarbeit, sondern in der Integration von Automatisierung und künstlicher Intelligenz, die zur Dateninterpretation mittels der Gene Game™ Software von Labomatica eingesetzt wird. Dank dieser Kombination ist das System ein „geschlossener Kreislauf“, in dem die Roboter Experimente vorbereiten, die Ergebnisse zu einem festen Zeitpunkt ablesen und die Daten interpretieren, um selbständig den nächsten Versuchszyklus vorzubereiten. Die Aufgaben des Bedieners beschränken sich auf die Definition der Fragestellung, den Entwurf der Versuchsanlage und die Überwachung des korrekten Ablaufs und Betriebs der Anlage. Die Aufgabe des Systems ist es, Experimente 24 Stunden am Tag durchzuführen und Ergebnisse zu liefern.

15.000 Tests pro Tag – 24/7 mit Mitsubishi Electric Roboter

15.000 Tests pro Tag – 24/7 mit Mitsubishi Electric Roboter

AGAMEDE ist ein System mit hohem Durchsatz, das künstliche Intelligenz mit Automatisierung kombiniert. Ein entscheidender Durchbruch, denn die meisten automatisierten Systeme mit hohem Durchlauf benötigen nach Beendigung eines Zyklus eine Person, die die Ergebnisse subjektiv analysiert und die nächsten Versuchsreihen plant. „AGAMEDE hingegen interpretiert dank des Moduls für künstliche Intelligenz die Experimente ohne menschliche Beteiligung, basierend auf mathematischen Modellen“ betont Radosław Pilarski, PhD, der Erfinder und Chefingenieur des Systems. „AGAMEDE kann von zentralen Diagnoselabors, Pharmaunternehmen in der Medikamentenentwicklung, Onkologielabors auf der Suche nach personalisierten Therapien für Patienten, aber auch in F&E-Abteilungen von chemischen und biotechnologischen Unternehmen zur Optimierung von Bioprozessen eingesetzt werden“, fügt er hinzu.

EPICELL-Projekt

Die Arbeit an AGAMEDE begann am Institut für Bioorganische Chemie der Polnischen Akademie der Wissenschaften im Jahr 2015. Das System wurde ursprünglich für das EPICELL-Projekt entwickelt, das vom Nationalen Zentrum für Forschung und Entwicklung (NCBiR) im Rahmen des STRATEGMED-Programms „Prävention und Behandlung von Zivilisationskrankheiten“ gefördert wurde. Ziel des Projektes war die Entwicklung optimierter Medien zur Gewinnung von Kardiomyozyten mit therapeutischem Potenzial aus induzierten pluripotenten Stammzellen (iPSCs), die zuvor im Prozess der Differenzierung von Muskelzellen (Myozyten) gewonnen werden. Das EPICELL-Konsortium (Institut für Bioorganische Chemie PAS, Institut für Humangenetik PAS und drei Krankenhäuser aus Poznañ), das die Expertise im Bereich der niedermolekularen epigenetischen Modulatoren und die Erfahrung in der Zellreprogrammierung vereint, führte Studien durch, die zur zukünftigen Entwicklung von Methoden zur Transformation von induzierten iPSCs für die Zwecke der regenerativen Medizin – gezielte Implantation in die Herzen von Patienten nach Herzinfarkt führen. Die Idee war, die Herzleistung auf den Zustand vor dem Infarkt zurückzubringen. Die Herausforderung bestand in der Anzahl der Experimente, die erforderlich waren, um einen geeigneten „Cocktail aus niedermolekularen epigenetischen Modulatoren“ zu entwerfen. Für 10 Komponenten des Cocktails und 10 verschiedene Konzentrationen wurden 10.000.000 Experimente benötigt. „Mit AGAMEDE wurde in einem mehrdimensionalen System von Lösungen nach der richtigen Kombination von Verbindungen gesucht und daraus die Zusammensetzung des Reprogrammierungsmediums „EPICELL One“ entwickelt“ erklärt Prof. Wojciech T. Markiewicz, Leiter des EPICELL-Projekts.

15.000 Tests pro Tag

Ende März 2020 änderte sich die Situation. Das Institut für Bioorganische Chemie der Polnischen Akademie der Wissenschaften beschäftigt sich seit Beginn seines Bestehens mit RNA und DNA-Nukleinsäuren. Es hatte alle Möglichkeiten, sich mit der SARS-CoV-2-Diagnostik zu beschäftigen. „Unser Institut war das erste in Polen, das einen Test zum Nachweis von SARS-CoV-2 entwickelt hat – MediPAN. Wir beschlossen bald, die Automatisierung von AGAMEDE mit unseren Tests zu kombinieren und entwickelten ein Hochdurchsatz-Diagnoseprotokoll, mit dem wir 15.000 Proben an einem Tag testen können. Zumindest ist dies das Potenzial, denn ICHB PAN als wissenschaftliche Einheit verfügt nicht über ein akkreditiertes Diagnostiklabor. Das ist ein sehr gutes Ergebnis, denn bei der manuellen Analyse von Proben kann eine Person höchstens einige hundert Proben bearbeiten“ sagt der Direktor des ICHB PAN, Prof. Marek Figlerowicz.

Agamede, erste Wissenschaftlerin der Welt, ist Namenspatronin dieses Hochdurchsatzsystems, welches künstliche Intelligenz mit Automatisierung kombiniert.

Agamede, erste Wissenschaftlerin der Welt, ist Namenspatronin dieses Hochdurchsatzsystems, welches künstliche Intelligenz mit Automatisierung kombiniert.

Roboter, SPS und Software aus einer Hand

Das Projekt AGAMEDE wurde unter Beteiligung von mehreren Technologiepartnern erstellt: Mitsubishi Electric, Labomatica und Perlan Technologies. Mitsubishi Electric stellte einen 6-Achs-Roboter, SPS-Steuerungen und die Software MELFA Basic zur Verfügung. Der Mitsubishi Electric Industrieroboter mit seiner langen Armreichweite ist die zentrale Komponente der Anlage. Er reproduziert die Arbeit eines Labortechnikers, der die Analysegeräte kontinuierlich gemäß den vom Bediener in die Steuerungssoftware eingegebenen Versuchsprotokollen bedient.

Die erste Wissenschaftlerin der Geschichte.

An integrated set of robotic tools permits microscale experiments on 96- and 384-well microassay plates. Diese Suite umfasst industrielle Zellkultur-Inkubatoren, Platten- und Tip-Feeder, Pipettierstationen, Etikettierer, Barcode-Scanner, Plattenversiegler, Fluoreszenz-Reader und Spektrophotometer. Einen besonderen Platz in der Geräteausstattung nimmt das automatisierte Konfokalmikroskop HCA mit vier Fluoreszenzkanälen ein. Für die biotechnologische Community ist dieses Instrument das Äquivalent des Hubble-Teleskops in den Mikrokosmos gebracht. Statt astronomischer Objekte fotografiert und analysiert es Millionen von Zellen und Gewebestrukturen in ähnlicher Qualität und Effizienz.

Ergänzt wird das Gerät durch einen akustischen Dispenser, der Flüssigkeitsmengen im Nanoliterbereich (Millionstel Milliliter) dosiert. Das schnelle Dispensieren solch kleiner Lösungsvolumina reduziert die Kosten für die Forschung und erhöht den Durchsatz. Es ermöglicht die Durchführung von Experimenten unter Verwendung der Sammlung von über 115.000 chemischen Verbindungen.

Unter Hochdruck arbeiten

„Bei der Implementierung des ersten derartig fortschrittlichen Systems in Polen, das Robotik mit Laborgeräten kombiniert, profitierten wir von unserer internationalen Erfahrung. Die Unterstützung der internationalen Struktur von Mitsubishi Electric, die sich innovativen Projekten widmet, war sehr hilfreich“ sagt Roman Janik, Koordinator der Lösungen für die Life-Science-Industrie in Polen. Wenn er sich an die Arbeit an dem Projekt erinnert, sagt er über den hohen Zeitdruck: „Wir alle arbeiteten unter Zeitdruck, um eine Lösung zu entwickeln, die die Labortechniker so schnell wie möglich entlastet. Wir waren in der Lage, einen wöchentlichen Durchsatz von 100.000 Proben zu liefern, was skalierbar ist. Das ist ein phänomenales Ergebnis“, betont er.

Viele Welten zusammenbringen

„Der Zeitdruck machte die Aufgabe, die auch ohne ihn kompliziert gewesen wäre, nicht einfacher. Das AGAMEDE-Projekt ist ein interdisziplinäres Projekt, das die Welten der Robotik, der Informatik, des Industriedesigns, der Mathematik, der Biologie und der Chemie verbindet. Die darin verwendeten Lösungen sind innovativ und einzigartig. Wie bei vielen Projekten bestand die größte Herausforderung darin, das Ziel und die Art und Weise, wie wir es erreichen wollen, zu definieren. Der Schlüssel zum Erreichen des Ziels war es, eine gemeinsame „Fachsprache“ zu finden, damit Menschen aus verschiedenen Branchen auf einer Ebene kommunizieren und ihre Erwartungen deutlich machen können. Es war oft schwierig, die Kluft zwischen der akademischen Welt, die in abstrakten Begriffen denkt, und der industriellen Welt, die meist einem festen Muster folgt, zu überbrücken“, erinnert sich Tomasz Scholz, Robotik-Ingenieur bei Mitsubishi Electric.

Antike und Futurismus

Das Ergebnis ist ein System, das nicht nur gut funktioniert, sondern auch interessant aussieht. „Die visuelle Identifikation bezieht sich auf das antike Griechenland und ist eine Hommage an die Anfänge des wissenschaftlichen Denkens in unserer Zivilisation und insbesondere an Frauen in der Wissenschaft. Wir fügten dem Plakat futuristische Elemente hinzu, die die mythische AGAMEDE visualisieren. So entstand die Figur einer antiken Skulptur und eines Cyborgs.

Das blaue, leuchtende Gehirn und das Bit-Motiv sind eine Kombination aus menschlichen Denkprozessen und künstlicher Intelligenz. Die Figur soll mit einem humanoiden Roboter assoziiert werden, der kombinatorische Aufgaben löst, die durch das Falten von Würfeln wie bei einem Rubik‘s Cube symbolisiert werden. Wir platzieren es auf allen Werbematerialien, auch auf Produktverpackungen und Prototypen, die mit Hilfe von AGAMEDE erstellt wurden. Den aktuellen Trends in der Branche der künstlichen Intelligenz folgend, wurde die Website www.agamede.ai die das Projekt bewirbt, in der nationalen Domain der Karibikinsel Anguilla eingerichtet, die die Abkürzung .AI hat“ erwähnt Radosław Pilarski, PhD.

Neue Ansätze für Laborplanungen

Pilarski betont, dass bei der Planung auch auf den Laborraum geachtet wurde, in dem die Installation platziert wurde. Ein Reinraum für die aseptische Zellkultur, in den meisten Laboren dunkel und fensterlos, bekam hier ein völlig neues Gesicht und brach mit den bisherigen Standards. Es ist dank großer, sorgfältig abgedichteter Fenster gut beleuchtet. Glasscheiben wurden hinzugefügt, um eine ständige Beobachtung und Kontrolle des Systems zu ermöglichen, ohne dass man unbequeme Reinraumanzüge tragen muss.

Die Beleuchtung der Apparatur mit Bühnenscheinwerfern setzte einen modernen Akzent. Drei Lichtstrahlen in den Farben Blau, Rot und Weiß mischen sich auf der AGAMEDE-Apparatur, und das Ganze wird durch Reflexionen akzentuiert, die durch das Spiegeln der Strahlen an Metallelementen entstehen.

Die Unterstützung der internationalen Struktur von Mitsubishi Electric, die sich innovativen Projekten widmet, war sehr hilfreich.

Die Werkbänke sind aus schneeweißem Corian gefertigt, einem extrem glatten, aber formbaren Verbundwerkstoff, der in den letzten Jahren bei Designern und Architekten sehr beliebt geworden ist. Erleichtert wird die Arbeit durch hochauflösende 4K-Monitore und Kameras, die eine Fernüberwachung von AGAMEDE und Experimente von jedem Ort der Welt aus ermöglichen.

Unternehmen im Profil

Name und Sitz des Unternehmens:
Polnische Akademie der Wissenschaften
Polen

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