Interview

Roboter für Forschungslabore

Dr. Julius Wiener arbeitet in einem Forscherteam an der Entwicklung eines Laborroboters, der es auch Forschungslaboren möglich machen soll, alltägliche Liquid-Handling-Prozesse zu automatisieren. Dr. Wiener erläutert im LABO-Interview Näheres zu diesem Projekt.
Während es schon selbstverständlich ist, Routineprozesse in der Diagnostik zu automatisieren, so ist dies im Forschungsumfeld nicht immer machbar oder praktikabel. Das Forscherteam Julius Wiener, Tobias Zundel und Oliver Brunner arbeitet an der Entwicklung eines Laborroboters, der es auch Forschungslaboren möglich machen soll, alltägliche Liquid-Handling-Prozesse zu automatisieren. Erste Schritte des Projekts „goodBot“ erfolgten an der Universität Freiburg. Einer der Goodbot-Gründer, Dr. Julius Wiener, stand LABO im Interview zur Verfügung.

LABO: Sie entwickeln einen Pipettier-Roboter, der im Forschungsumfeld zum Einsatz kommen soll. Es gibt ja bereits Pipettier-Roboter. Sind hier nicht bereits hinreichende Lösungen vorhanden?

Dr. Wiener: In der Tat dachte ich zu Beginn meiner wissenschaftlichen Laufbahn, dass manuelles Pipettieren zwar der Einstieg ist, in der späteren Forschungspraxis die Experimente aber in der Regel mithilfe von automatisierten Systemen und Pipettier-Robotern durchgeführt werden. Schließlich sind die Probleme des manuellen Pipettierens jedem Forschenden wohlbekannt.

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Dr. Julius Wiener. © goodBot

Ich habe dann aber die Erfahrung gemacht, dass tägliches, häufig stundenlanges manuelles Pipettieren weiterhin der Status quo ist – das gilt auch für umfangreiche Experiment-Ansätze mit vielen Proben (z. B. im 384er Well-Format) und kleinen Volumina. Als ich mich am Ende meines PhDs strukturiert mit dem Einsatz von Automatisierung in der biologischen Forschung beschäftigt und mit vielen unterschiedlichen Forschungslaboren weltweit gesprochen habe, musste ich erkennen, dass das manuelle Pipettieren kein Einzelfall ist, sondern in den meisten Laboren das Gros der Experimente ausschließlich manuell pipettiert wird.

LABO: Woran könnte es liegen, dass bereits verfügbare Pipettier-Roboter anscheinend selten Anwendung finden?

Dr. Wiener: Der Hauptgrund für die fehlende Automatisierung ist nach meiner Erfahrung, dass bestehende Systeme nicht für den alltäglichen Einsatz bei häufig wechselnden Experimenten ausgelegt sind. Diese Arbeitsweise ist in Forschungslaboren besonders verbreitet. Pipettier-Roboter sind üblicherweise als stationäre Plattform konstruiert. Die am normalen Laborarbeitsplatz vorbereiteten Reagienzen müssen dann in spezielle Gefäße des Roboters umgefüllt und zum Roboter transportiert werden. Gleichzeitig sind die Benutzeroberflächen in der Regel nicht intuitiv, sondern vielmehr als Expertensysteme aufgebaut. Als Wissenschaftler möchte ich mich aber nicht stundenlang in ein Gerät einarbeiten oder Experimente programmieren. Da übersteigt der Einrichtungsaufwand häufig den Nutzen.

Diese Geräte funktionieren gut, wenn ich im Labor ein spezielles Verfahren habe, das sehr häufig und einheitlich durchgeführt wird – wie beispielsweise in der Diagnostik. Für die alltäglichen, auch kürzeren Experimente der Forschungslabore ist dieser Prozess aber nicht praktikabel. Das führt häufig sogar dazu, dass Labore zwar einen Pipettier-Roboter angeschafft haben, die Forschenden diesen aber überhaupt nicht benutzen.

Und häufig scheitert in der akademischen Forschung eine Anschaffung auch bereits an Budget-Restriktionen und am zusätzlichen Platzbedarf im Labor, den ein klassischer Pipettier-Roboter mit sich bringt. Zu bedenken ist hier, dass Pipettier-Roboter neben den direkten Anschaffungskosten i. d. R. auch deutlich erhöhte Betriebsfolgekosten durch spezielle, proprietäre Pipettenspitzen und Reaktionsgefäße verursachen. Bei der Entwicklung des Goodbots war es uns deshalb ein Hauptanliegen, eine Automatisierungslösung zu schaffen, die auch mit bereits im Labor verfügbaren Verbrauchsmaterialien arbeiten kann.

LABO: Was ist Ihr Konzept? Was ist das Besondere an Ihrem Laborroboter?

Dr. Wiener: Unsere Mission ist es, die Vorteile der Automatisierung für jeden Forschenden im Alltag nutzbar zu machen. Entsprechend haben wir den Goodbot als persönlichen Pipettier-Assistenten und nicht als zentrale, stationäre Plattform entworfen.

Entscheidend ist hier, dass der Goodbot direkt in den normalen Laborarbeitsplatz des Forschenden integriert werden kann. Das konnten wir durch die Konstruktion als freistehenden Roboterarm und den Verzicht auf ein allumfassendes Gehäuse erreichen.

Der kleine Laborroboter kann ins Arbeitsumfeld integriert werden und „quasi als dritter Arm des Forschenden“ (so Dr. Wiener) fungieren. © goodBot

Der Platzbedarf des Roboters entspricht in etwa dem einer Schreibtischlampe. Dies kombinieren wir mit einem neuartigen, intuitiven Bedienkonzept, das für jeden Anwender ohne besondere Schulung sofort einsetzbar ist. Der Goodbot fungiert so quasi als dritter Arm des Forschenden und ist jederzeit intuitiv im normalen Laborarbeitsablauf verwendbar. Dadurch wird nun das automatisierte Pipettieren von alltäglichen, auch kürzeren Experiment-Sequenzen praktikabel.

LABO: Warum ist es wichtig, auch kürzere und mittellange Experimente zu automatisieren?

Dr. Wiener: Kürzere aneinandergereihte Protokolle machen in den Forschungslaboren den allergrößten Teil der Experimente aus. Beispielsweise angefangen von der Restriktion zur Aufreinigung zur Ligation zur PCR dauern alle individuellen Schritte selten länger als eine Stunde. Das macht es für die herkömmliche Automatisierung uninteressant. Dennoch habe ich somit mehrere Stunden Hands-on-Time im Laufe des Tages – ständig unterbrochen von kurzen Warteschritten, die sich nicht effizient nutzen lassen. Der offensichtlichste Vorteil, der durch den Einsatz eines Roboters entsteht, ist die Verringerung der notwendigen Hands-on-Time der Forschenden in der Experimentdurchführung. Die hierdurch frei werdende Arbeitszeit kann gewinnbringender genutzt werden, z. B. zur detaillierteren Planung und Vorbereitung und der intensiveren Analyse der Experimente.

Gleichzeitig kostet es mich so gut wie keinen Zusatzaufwand, die Experimente zu skalieren. Die Datensicherheit durch zwei zusätzliche Replikate zu steigern oder tiefere Erkenntnisse durch eine größere Anzahl der getesteten Parameter zu gewinnen, wird dadurch sehr attraktiv. Nicht weniger wichtig ist, dass durch den Einsatz des Goodbots die Wiederholgenauigkeit und letztlich die Erfolgsrate zunimmt. Bei einem Roboter muss ich mir keine Sorgen machen, dass einem unerfahrenen Mitarbeiter ein Experiment erst beim dritten Anlauf gelingt. Und durch weniger durch den Menschen verursachte Varianz in der Ausführung der Protokolle kann ich bei meinen Ergebnissen sicher sein, dass ich biologische Effekte beobachte und keine Artefakte.

LABO: Was soll Ihr Roboter alles können?

Dr. Wiener: Der Roboter soll im Forschungsalltag relevant Arbeit abnehmen, daher wird er alles können, was eine manuelle Pipette auch kann.

Prototyp des Goodbot-Roboters. © goodBot

Durch besondere Unterstützung in der Benutzeroberfläche wird es auch einfach möglich sein, Zeitreihen und Verdünnungsreihen schnell und unkompliziert zu pipettieren. Darüber hinaus kann der Goodbot durch seine Portabilität auch einfach in der Zellkultur eingesetzt werden. Durch seine schlanke Gestalt passt er sogar durch den Arbeitsschlitz einer Zellkulturbank, ohne dass diese ganz geöffnet werden muss.

LABO: Sie befinden sich ja zurzeit in der Testphase. Verraten Sie uns etwas über den aktuellen Stand Ihrer Entwicklungsarbeiten? Welche Fortschritte konnten Sie schon erzielen?

Dr. Wiener: Schwerpunkt unserer bisherigen Entwicklung war es, die technische Realisierbarkeit des Konzepts zu zeigen – hierzu werden unsere Prototypen laufend im Laboreinsatz unseres Partnerlabors evaluiert. Die letzten Monate waren hier sehr erfolgreich, so dass wir ab Herbst nun in eine ausgeweitete Pilotphase mit mehreren Laboren unterschiedlicher Forschungsrichtungen starten werden, um den Einsatz und damit die „Tätigkeiten“ unseres Laborroboters, des Goodbots, in realen Praxisprojekten und einer Vielzahl unterschiedlicher Experimente zu validieren.

LABO: Was ist als nächstes geplant?

Dr. Wiener: Parallel zu den Pilotprojekten treiben wir die Vorbereitung für den offiziellen Markteintritt in 2022 voran. Neben Weiterentwicklungen am Produkt selbst umfasst dies, unsere heutigen prototypischen Produktionsprozesse in eine skalierbare Fertigungsmethode zu transferieren. Was die Weiterentwicklungen am Roboter angeht, ist es unser Ansatz, sehr eng mit der Forschungscommunity und den späteren Anwendern zusammenzuarbeiten. Wir sind gerade dabei, eine Beta-Community und Expertengruppe aus Forschenden aufzubauen, deren Feedback und Ideen wir sehr eng in die weitere Entwicklung einfließen lassen. Diese Unterstützer erhalten von uns auch bereits vor dem offiziellen Marktstart Zugriff auf die neuesten Entwicklungen und Funktionen zu Vorzugskonditionen. Interessierte Forschende können mich hierzu sehr gerne ansprechen.

LABO: Vielen Dank für Ihre Antworten!

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