Una soluzione automatizzata per bioreattori su misura per la scienza di nuova generazione
Alla Delft University of Technology nei Paesi Bassi, professori e dottorandi avevano bisogno di una nuova soluzione per l'ingegneria evolutiva, per migliorare lo studio delle cellule geneticamente modificate nel tentativo di sostituire un maggior numero di prodotti petrolchimici con materiali di origine vegetale. Ciò ha richiesto una configurazione del bioreattore robusta, flessibile e automatizzata, su misura per soddisfare le sfide specifiche legate agli studi in evoluzione.
Dr. Ir. Robert Mans, Assistant Professor presso il dipartimento di biotecnologia, spiega perché il suo lavoro scientifico in laboratorio necessita di una maggiore automazione: "La sfida è data dal fatto che le cellule sono estremamente complesse ed è impossibile capire sempre ciò che accade al loro interno. A volte, le cellule geneticamente modificate si comportano come previsto e altre volte si ammalano e crescono lentamente. Il nostro modo di ottimizzare tutto ciò è utilizzare l'evoluzione. Lasciare che le cellule si evolvano per diventare più sane e crescere più rapidamente. E questo richiede attrezzature estremamente affidabili e sterili", afferma il Dott. Mans. "Quindi, avevamo bisogno di una soluzione più automatizzata per consentire un'operazione chiusa senza dover aprire nulla durante i processi di un mese".
Sophie de Valk, una delle dottorande sotto la supervisione del dott. Mans, spiega come la precedente configurazione abbia reso il suo lavoro con l'ingegneria genetica del lievito più complesso e dispendioso in termini di tempo: "Eravamo relativamente limitati in termini di modalità di automazione delle evoluzioni. Dovevamo cambiare il mezzo manualmente, sempre con il rischio di contaminazione e di potenziali contrattempi. Abbiamo quindi sentito l'esigenza di un controllo preciso del processo e della possibilità di impostare script di sistema ancora più complessi".
Con una conoscenza approfondita delle loro esigenze specifiche, il team della Delft University of Technology aveva bisogno di un partner che potesse fornire la competenza necessaria e investire tempo nella progettazione di una soluzione non standard. "Da un punto di vista teorico, sapevamo esattamente cosa volevamo. Ma avevamo bisogno di qualcuno che realizzasse la nostra visione. Qualcuno che potesse creare e implementare una soluzione con tutta la flessibilità necessaria per eseguire i nostri esperimenti", spiega il Dott. Mans.
Conoscevamo già Getinge e sapevamo che il loro sistema è estremamente solido e affidabile. Ma penso che la differenza più grande per noi sia stata che Getinge è molto aperta alla creazione di soluzioni su misura. Collaborare e co-sviluppare una configurazione su misura invece di un'opzione standard.
Un bioreattore complesso progettato per la semplicità
Rowin Timmermans, Sr. Application Specialist, con 12 anni di esperienza nelle soluzioni Applikon è stato parte del team che ha accettato la sfida. Si è subito reso conto che la natura complessa del compito richiedeva script di controllo del processo nel software SCADA del cliente, in grado di ridurre significativamente il numero di interventi manuali. "Avevamo bisogno di automatizzare due tipi di processi a lunga durata: un processo ripetuto in batch e un processo in chemostato o accelerostato. Normalmente, entrambi avrebbero richiesto molti interventi manuali. Quindi, la sfida principale era quella di combinare i dati provenienti dai dispositivi di analisi dei gas di scarico del team di ricerca della TU Delft con tutti i dati di processo del sistema Applikon ez-Control, per poi utilizzare questi dati online per controllare automaticamente i processi ripetuti in batch e in chemostato o accelerostato nel modo desiderato", spiega Timmermans.
Timmermans era responsabile della stesura degli script per controllare tutto ciò che accade nel processo di fermentazione e lavorava in stretta collaborazione con il team del dipartimento di biotecnologia della Delft University of Technology. "Il mio ruolo principale era programmare gli script in Lucullus®, la soluzione software fornita da Getinge, per ottenere l'automazione dei processi. Durante la nostra collaborazione, ho visitato l'università diverse volte per eseguire dei test insieme. Penso che questo modo di lavorare insieme, con feedback frequenti e costruttivi, sia la chiave del successo. È l'unico modo per comprendere appieno un'esigenza specifica e trovare una soluzione su misura per le esigenze specifiche del cliente", conclude Timmermans.
Quando gli viene chiesto quale sia l'attività più impegnativa durante il processo, afferma: Una delle maggiori sfide è stata quella di comprendere il funzionamento del chemostato, e in particolare dell'accelerostato, e la complessità di alcuni dei criteri programmati negli script per passare da una fase del processo all'altra".
Proprio come Timmermans, il Dott. Mans e il suo team hanno trovato preziosa la stretta collaborazione e uno dei motivi per cui l'intero processo è andato relativamente rapidamente. Il Dott. Mans condivide le sue opinioni sul processo di collaborazione: "Avevo previsto più intoppi di quelli che abbiamo incontrato. Si trattava di spuntare delle caselle, il che mi ha sorpreso perché si tratta di un sistema piuttosto complicato da configurare. In un tempo relativamente breve, sulla base di un periodo di tentativi ed errori, siamo riusciti a ottenere un risultato finale che facesse tutto ciò che volevamo dal sistema".
Vantaggi personalizzati – progettati per un uso generico
La dottoranda del Dottor Mans, Sophie de Valk, illustra alcuni dei punti principali e dei vantaggi del nuovo sistema dal suo punto di vista:
Mi piace la facilità con cui è possibile monitorare online molte cose nel reattore. In precedenza era sempre necessario esportare prima i dati e poi tracciarli in Excel. Ora non è più necessario osservare continuamente il reattore per sapere che tutto procede senza intoppi. Lo si può vedere con tre semplici clic, anche quando si lavora da casa.
Oltre ad avere accesso immediato al monitoraggio online da qualsiasi luogo, de Valk menziona anche la semplicità e la flessibilità che caratterizzano il nuovo sistema di evoluzione automatizzato: "Ora è davvero facile impostare uno script di automazione piuttosto complicato. Non è necessario trascorrere settimane con gli studenti partendo da capo. Inoltre, ho avuto casi in cui volevamo modificare alcuni parametri durante le evoluzioni in tempo reale. Ora possiamo farlo perché è facilissimo tracciare i segnali online e vedere come tutto sta andando e crescendo. Inoltre, sulla base dei dati di monitoraggio, possiamo regolare il pH, immettere più aria o apportare eventuali regolazioni necessarie".
Alla fine, sia il team di ricerca della TU Delft che le persone coinvolte di Getinge sono stati così soddisfatti del risultato che hanno organizzato un webinar congiunto per sensibilizzare e condividere le conoscenze apprese dal processo e le possibilità del sistema di bioreattore automatizzato all'avanguardia che, anche se altamente personalizzato, era destinato all'uso generale fin dall'inizio. Pertanto, il Dott. Mans e il suo team hanno anche redatto una pubblicazione scientifica per rendere le conoscenze accessibili alla comunità accademica mondiale.
Dare vita alla scienza, non solo da spettatori
Infine, abbiamo chiesto a Sophie de Valk e al Dott. Robert Mans della Delft University of Technology quali fossero i loro principali fattori motivazionali per lavorare con Life Science.
Parte di esso è guidato dal cambiamento climatico. Sapere che in realtà puoi contribuire e dare un'alternativa all'industria dei combustibili fossili e utilizzare materiali di origine vegetale è una bella sensazione. Inoltre, il settore life science si sta ancora sviluppando molto rapidamente. Al momento è in corso un'innovazione all'avanguardia ed è davvero fantastico farne parte.
Il Dr. Mans mira inoltre a partecipare attivamente alla lotta contro il cambiamento climatico come grande motore motivazionale. "Come società e popolazione mondiale, dobbiamo compiere grandi passi per limitare e ridurre l'effetto del cambiamento climatico. Sapere che stiamo contribuendo facendo semplicemente quello che facciamo ogni giorno, per me è una motivazione davvero importante. Altrimenti, mi sentirei come se stessi a guardare. So che con il mio lavoro faccio parte della soluzione. Non sono uno spettatore di quanto accade. Partecipo attivamente sperando di fare la differenza", conclude.
Una delle maggiori sfide è stata quella di comprendere il funzionamento del chemostato, e in particolare dell'accelerostato, e la complessità di alcuni dei criteri programmati negli script per passare da una fase del processo all'altra.