Bioréacteur automatisé pour une science nouvelle génération
À l’Université de technologie de Delft aux Pays-Bas, des professeurs et des doctorants avaient besoin d’une nouvelle solution d’ingénierie évolutionniste pour améliorer l’étude de cellules génétiquement modifiées afin de remplacer un plus grand nombre de produits pétrochimiques par des matériaux d’origine végétale. Une solution flexible et robuste de bioréacteur automatisé était donc nécessaire pour répondre aux défis spécifiques liés à ces études.
Le Dr Robert Mans, professeur assistant au département de biotechnologie, explique pourquoi le travail scientifique en laboratoire nécessitait plus d’automatisation : « Les cellules sont extrêmement complexes et il n'est pas toujours évident de bien comprendre ce qui se passe à l’intérieur de celles-ci. Parfois, les cellules génétiquement modifiées se comportent comme prévu, et parfois elles tombent malades et se développent lentement. Pour optimiser cette situation nous utilisons l'évolution. Nous laissons les cellules évoluer pour devenir plus saines et se développer plus rapidement. Et ceci requiert du matériel extrêmement fiable et stérile. » explique le Dr Mans. « Nous avions donc besoin d’une solution plus automatisée pour permettre un fonctionnement en circuit fermé, sans qu’il soit nécessaire d’ouvrir quoi que ce soit au cours de processus qui durent plusieurs mois. »
Sophie de Valk, l’une des doctorantes supervisée par le Dr Mans, explique comment la configuration précédente rendait plus complexe et chronophage la modification génétique de levures : « Nous étions relativement limités en termes d’automatisation des évolutions. Nous devions changer le milieu à la main, ce qui présente toujours un risque de contamination et une potentielle source d’échec. Il était donc essentiel pour nous de contrôler précisément les processus et de pouvoir mettre en place des scripts système encore plus complexes. »
Bien consciente de ses besoins spécifiques, l’équipe de l’Université de technologie de Delft avait besoin d’un partenaire qui serait à la fois capable de lui fournir l’expertise nécessaire et de consacrer du temps à la conception d’une solution spécifique. « D’un point de vue théorique, nous savions exactement ce que nous voulions. Mais il nous fallait quelqu’un capable de mettre en œuvre notre vision. Quelqu’un qui pourrait créer et mettre en place une solution avec toute la flexibilité nécessaire pour mener nos expériences. » explique le Dr Mans.
Nous connaissions déjà Getinge et savions que leur système était très solide et fiable. Mais le plus important pour nous, c’était que Getinge soit ouvert à l’idée de créer des solutions sur mesure. Être partenaire et co-développer une configuration sur mesure plutôt que de nous proposer une solution standard.
Un bioréacteur complexe conçu pour la simplicité
Rowin Timmermans, spécialiste application senior, fort de 12 ans d’expérience avec les solutions Applikon, faisait partie de l’équipe qui a relevé le défi. Il a tout de suite compris que la nature complexe de la tâche nécessitait des scripts de contrôle des processus au sein du logiciel SCADA du client, qui pourraient réduire considérablement le nombre d’interventions manuelles. « Nous devions automatiser deux types de processus de longue durée : un processus de lots répétés et un processus à chémostat ou accélérostat. Il s’agit de processus qui requièrent normalement un grand nombre d’interventions manuelles. Le défi principal consistait donc à combiner des données des dispositifs d’analyse des dégagements gazeux dont disposait l’université avec toutes les données de traitement du système ez-Control d’Applikon, puis à utiliser ces données en ligne pour contrôler automatiquement les processus par lots répétés et à chémostat ou accélérostat de la manière souhaitée. » explique Rowin Timmermans.
Rowin Timmermans était chargé de l’écriture des scripts permettant de contrôler tout ce qui se passe au cours du processus de fermentation. Cela a été réalisé en étroite collaboration avec l’équipe du département de biotechnologie de l’Université de technologie de Delft. « Ma principale mission était de programmer les scripts dans Lucullus®, le logiciel fourni par Getinge, afin d’automatiser le processus. « Dans le cadre de notre collaboration, je me suis rendu à plusieurs reprises à l’université afin que nous puissions effectuer ensemble des essais. Je pense que cette façon de travailler ensemble, avec des retours d’informations fréquents et constructifs, est la clé du succès. C’est le seul moyen de comprendre parfaitement un besoin spécifique et de trouver une solution adaptée aux attentes précises du client. » conclut Rowin Timmermans.
Lorsqu’on lui demande quels ont été les défis les plus difficiles à relever au cours du processus, il répond : « L’un des plus grands challenges a été de comprendre le principe de fonctionnement du chémostat, et surtout de l’accélérostat, mais aussi la complexité liée à certains des critères que nous avons programmés dans les scripts pour passer d’une étape du processus à l’autre. »
Tout comme Rowin Timmermans, le Dr Mans et son équipe ont estimé que cette étroite collaboration leur avait été bénéfique, et qu’elle avait contribué à l’avancée rapide du projet. Le Dr Mans nous fait part de son opinion quant à cette collaboration : « Je m’attendais à rencontrer plus de difficultés. Mais nous n’avons eu qu’à cocher des cases, ce qui est plutôt surprenant, au vu de la complexité du système à configurer. « En relativement peu de temps, compte tenu de la période d’essai et d’optimisation, nous sommes parvenus à obtenir un résultat final qui correspond exactement à ce que nous attendions du système. »
Des avantages personnalisés – conçus pour un usage courant
La doctorante du Dr Mans, Sophie de Valk, nous donne son point de vue sur certains des points forts et des avantages du nouveau système :
J’apprécie le fait qu’il soit facile de surveiller en ligne un grand nombre d’événements se produisant au sein du bioréacteur. Avant, nous devions systématiquement commencer par exporter les données avant de les traiter dans Excel. Mais maintenant nous n’avons plus besoin de surveiller le bioréacteur en permanence pour nous assurer que tout se passe bien. Trois clics suffisent désormais, même lorsque nous travaillons de chez nous.
En plus de disposer d’un accès à la gestion des données en ligne, Sophie de Valk évoque la simplicité et la flexibilité qui caractérisent le nouveau système d’évolution automatisé : « Il est désormais très facile de mettre en place un script d’automatisation assez complexe. Les étudiants n’ont plus à passer des semaines à tout concevoir. Par ailleurs, dans certains cas, nous voulions ajuster certains paramètres en temps réel. C’est désormais possible, car il est très facile de suivre les signaux en ligne et d’observer ces évolutions. Et en fonction des données suivies, nous pouvons ajuster le pH, injecter plus d’air, ou effectuer tous les changements nécessaires. »
Au final, les chercheurs de l’Université de technologie de Delft et l’équipe Getinge étaient tellement satisfaits du résultat qu’ils ont organisé ensemble un webinaire pour partager ce qu’ils avaient appris, et échanger sur les possibilités de ce système de bioréacteur automatisé de pointe, qui, bien qu’hautement personnalisé, était conçu dès l’origine pour un usage courant. Par la suite, le Dr Mans et son équipe ont également rédigé une publication scientifique pour que la communauté académique mondiale puisse avoir accès à leurs données.
La science au service de la vie, en s’impliquant véritablement
Pour conclure, nous avons demandé à Sophie de Valk et au Dr Robert Mans de l’Université de technologie de Delft quelle était leur plus grande motivation pour travailler dans le domaine des sciences de la vie.
Nous sommes en partie motivés par la volonté d’agir face au changement climatique. Savoir que nous pouvons réellement contribuer à cette lutte et proposer une alternative à l’industrie basée sur les énergies fossiles, en allant davantage vers des matériaux d’origine végétale, c’est très satisfaisant. Par ailleurs, le secteur des sciences de la vie est en plein essor. Des innovations de pointe sont en cours, et c’est formidable d’apporter notre pierre à l’édifice.
Le Dr Mans indique également que le fait de participer activement à la lutte contre le changement climatique est une immense source de motivation. « En tant que société et habitants de cette planète, nous avons de gros progrès à faire afin de limiter et réduire les effets du changement climatique. Savoir que nous contribuons à un monde meilleur en faisant simplement ce que nous faisons tous les jours est quelque chose d’extrêmement motivant pour moi. Autrement, j’aurais l’impression d’attendre les bras croisés. Je sais qu’avec mon travail, je fais partie de la solution. Je suis vraiment impliqué, et j’espère faire la différence. » conclut-il.
L’un des plus grands challenges a été de comprendre le principe de fonctionnement du chémostat, et surtout de l’accélérostat, mais aussi la complexité liée à certains des critères que nous avons programmés dans les scripts pour passer d’une étape du processus à l’autre.