Die Wissenschaftler der University of Minnesota Twin Cities haben einen künstlichen Roboter entwickelt, der mithilfe maschinellen Lernens ein kompliziertes Mikroinjektionsverfahren für zwei verschiedene Organismen automatisiert, die den Genetikkurs bilden. Die Massenproduktion ermöglichte es den Wissenschaftlern, mit dieser Automatisierungskomponente Organismen mit ausreichender Zellstruktur zu manipulieren, darunter Fruchtfliegen und Fischlarven. Das Gerät wird den Zeit- und Kostenaufwand im Labor verringern, indem es den Ersatz manueller Methoden durch Automatisierung bei der Durchführung großer genetischer Tests erleichtert, die bei manuellen Vorgängen ineffektiv waren.

Automatisierung der genetischen Manipulation

Die Forschungsstudie „Eine genetische Manipulation mehrphasiger Organismen mit hohem Durchsatz durch eine kameragesteuerte embryonale Mikroinjektionsmaschine“ ist auf dem Titelblatt der Aprilausgabe 2024 der Online-Zeitschrift GENETICS zu finden. Zwei Maschinenbaustudenten der University of Minneapolis, Alegria Andrew und Joshi Amey, führten die Forschung durch und beantworteten Fragen. Ein innerhalb des Unternehmens gebildetes Kommerzialisierungsteam konzentriert sich auf die Vermarktung der Technologie für eine breite Anwendung durch das Start-up Objective Biotechnology aus Minnesota.

Mikroinjektion ist eine Art der Manipulation, bei der ein bestimmtes Material mithilfe einer sehr feinen Pipette in Zellen oder Gewebe injiziert wird. Das gelieferte Objekt kann eine Zelle, genetisches Material oder etwas anderes sein. Wissenschaftler haben einen Roboter entwickelt, der heutzutage Embryonen erkennen kann, die weniger als haardick sind. Sobald die Erkennung abgeschlossen ist, erstellt die Maschine eine Route und kann den gesamten Prozess steuern. Auf diese Weise unterstützt der Roboter den Gesundheitssektor.

„Diese automatisierten Injektionen haben die manuellen Injektionen ersetzt, die zuverlässiger und effizienter sind“, kommentiert Suhasa Kodandaramaiah, Professor für Maschinenbau an der University of Minnesota und leitender Autor der Studie. Ein solcher Wandel im Forschungsbereich wird die Durchführung neuer Experimente auf individueller Laborebene ermöglichen, was ohne diese Art von Technologie nicht möglich wäre.“ Normalerweise liegt es in der Verantwortung eines qualifizierten Technikers, eine Mikroinjektion durchzuführen, was in vielen Laboren nicht möglich ist. Diese revolutionäre Technologie kann die Möglichkeiten vorlaboratorischer Verfahren erweitern und gleichzeitig deren Dauer verkürzen und die damit verbundenen Kosten senken.

„Das ist für die Genetik, die das Gebiet dieser neuen Werkzeuge ist, äußerst anregend.“ Außerdem ist es eine großartige Gelegenheit, mehr zu lernen und die Geheimnisse unseres genetischen Codes zu lüften. Während sich die Technologie zum Schreiben und Lesen von DNA in den letzten Jahren stark verbessert hat, wird die Erweiterung der Palette von Organismen, an denen wir groß angelegte genetische Experimente durchführen können, durch die Kombination unserer Technologie mit DNA-Sequenzierungsfähigkeiten möglich, so der Co-Autor der Studie, Daryl Gohl, Assistenzprofessor des Innovationslabors und der Abteilung für Genetik, Zellbiologie und Entwicklung des Genomics Center der University of Minnesota.

Vielseitige Einsatzmöglichkeiten

Diese Technologie könnte nicht nur als Werkzeug für genetische Experimente eingesetzt werden, sondern auch dazu beitragen, das Aussterben vieler Arten durch Kryokonservierung zu verhindern, eine Methode, deren Wirksamkeit beim Tiefkühlen nachgewiesen wurde. „Mit diesem Roboter können Nanopartikel in Zellen und Gewebe injiziert werden, was dazu beitragen kann, sie zu konservieren und sie beim Wiedererwärmen wiederherzustellen“, erklärte Kodandaramaiah.

Darüber hinaus brachten andere Teammitglieder einige Ideen zu anderen Einsatzmöglichkeiten fortschrittlicher Technologie ein, die noch mehr beitragen könnten. Die technologischen Möglichkeiten könnten sogar noch verbessert werden, indem die Embryonen durch In-vitro-Fertilisation einzeln implantiert werden könnten, um das Risiko von Komplikationen zu senken. Dies könnte unter der Leitung von Andrew Alegria geschehen, einem Co-Autor des Papiers und wissenschaftlichen Mitarbeiter im Fach Maschinenbau im Biosensorik- und Biorobotiklabor der University of Minnesota.

Außer den Mitbegründern waren auch Universitätsforscher des College of Science and Engineering und des Innovation Lab des Genomics Center der University of Minnesota im Team. Beim letzten Turnier ging unser Team als Sieger des Biotechnologie-Wettbewerbs „Walleye Tank“ der Universität hervor. Die Besucher der Veranstaltung erhalten eine betriebswirtschaftliche und Marketing-Ausbildung und die Möglichkeit, die Erfolge bestehender und zukünftiger Unternehmen im Medizin- und Biowissenschaftssektor zu feiern.

Dieser Artikel erschien ursprünglich in Phys Org.