Durch maschinelles Lernen angetriebener Roboter rationalisiert genetischen Forschungsprozess

Forscher der University of Minnesota Twin Cities haben einen Roboter konstruiert, der maschinelles Lernen nutzt, um einen komplizierten Mikroinjektionsprozess, der in der Genforschung verwendet wird, vollständig zu automatisieren.

In ihren Experimenten konnten die Forscher diesen automatisierten Roboter nutzen, um die Genetik mehrzelliger Organismen, darunter Fruchtfliegen- und Zebrafischembryonen, zu manipulieren. Die Technologie wird Laboren Zeit und Geld sparen und es ihnen gleichzeitig ermöglichen, neue, groß angelegte genetische Experimente einfacher durchzuführen, die zuvor mit manuellen Techniken nicht möglich waren

Die Forschung ist auf dem Cover der April-Ausgabe 2024 abgebildet GENETIKeine von Experten begutachtete, frei zugängliche wissenschaftliche Zeitschrift. Die Arbeit wurde gemeinsam von den beiden Maschinenbaustudenten Andrew Alegria und Amey Joshi der University of Minnesota geleitet. Das Team arbeitet auch an der Kommerzialisierung dieser Technologie, um sie über das Start-up-Unternehmen Objective Biotechnology der University of Minnesota allgemein verfügbar zu machen.

Mikroinjektion ist eine Methode zur direkten Einführung von Zellen, genetischem Material oder anderen Wirkstoffen in Embryonen, Zellen oder Gewebe mithilfe einer sehr feinen Pipette. Die Forscher haben den Roboter darauf trainiert, Embryonen zu erkennen, die ein Hundertstel der Größe eines Reiskorns haben. Nach der Erkennung kann die Maschine einen Pfad berechnen und den Injektionsprozess automatisieren.

Dieses neue Verfahren ist robuster und reproduzierbarer als manuelle Injektionen. Mit diesem Modell werden einzelne Labore in die Lage versetzt, sich neue Experimente auszudenken, die ohne diese Art von Technologie nicht möglich wären.“

Suhasa Kodandaramaiah, außerordentliche Professorin für Maschinenbau und leitende Autorin der Studie, University of Minnesota

Typischerweise erfordert diese Art von Forschung hochqualifizierte Techniker zur Durchführung der Mikroinjektion, über die viele Labore nicht verfügen. Diese neue Technologie könnte die Möglichkeiten zur Durchführung großer Experimente in Laboren erweitern und gleichzeitig Zeit und Kosten reduzieren.

„Das ist sehr aufregend für die Welt der Genetik. Das Schreiben und Lesen von DNA hat sich in den letzten Jahren drastisch verbessert, aber diese Technologie wird unsere Fähigkeit erweitern, groß angelegte genetische Experimente an einer Vielzahl von Organismen durchzuführen“, sagte Daryl Gohl, a Mitautor der Studie, Gruppenleiter des Innovation Lab des University of Minnesota Genomics Center und wissenschaftlicher Assistenzprofessor in der Abteilung für Genetik, Zellbiologie und Entwicklung.

Diese Technologie kann nicht nur in genetischen Experimenten eingesetzt werden, sondern kann auch zur Erhaltung gefährdeter Arten durch Kryokonservierung beitragen, einer Konservierungstechnik, die bei extrem niedrigen Temperaturen durchgeführt wird.

„Mit diesem Roboter können Sie Nanopartikel in Zellen und Gewebe injizieren, was bei der Kryokonservierung und beim anschließenden Wiedererwärmungsprozess hilft“, erklärte Kodandaramaiah.

Andere Teammitglieder hoben andere Anwendungen der Technologie hervor, die noch größere Auswirkungen haben könnten.

„Wir hoffen, dass diese Technologie irgendwann für die In-vitro-Fertilisation eingesetzt werden könnte, bei der man diese Eizellen im Mikromaßstab nachweisen könnte“, sagte Andrew Alegria, Co-Hauptautor des Artikels und wissenschaftlicher Mitarbeiter im Bereich Biosensorik an der University of Minnesota für Maschinenbau und Biorobotik-Labor.

Neben Kodandaramaiah, Gohl, Alegria und Joshi gehörten dem Team mehrere Forscher vom College of Science and Engineering der University of Minnesota und dem Innovation Lab des University of Minnesota Genomics Center an. Das Team gewann kürzlich den Life-Science-Wettbewerb „Walleye Tank“ der Universität. Dieser Life-Science-Pitch-Wettbewerb bietet Bildungs- und Werbemöglichkeiten für aufstrebende und etablierte Medizin- und Life-Science-Unternehmen.

Diese Forschung wurde in Zusammenarbeit mit dem Engineering Research Center for Advanced Technologies for the Preservation of Biological Systems (ATP-Bio) und dem University of Minnesota Zebrafish Core durchgeführt.

Die Arbeit wurde vom National Institute of Health, Minnesota Sea Grant und der National Science Foundation finanziert. Zusätzliche Unterstützung wurde durch das Stipendium der University of Minnesota Diversity of Views and Experiences (DOVE) und das Minnesota’s Discovery, Research, and Innovation Economy (MnDRIVE)-Stipendium des University of Minnesota Informatics Institute (UMII) bereitgestellt.

Quellen: