En automatiserad bioreaktorlösning – skräddarsydd för framtidens vetenskap
Vid Delfts tekniska universitet i Nederländerna behövde professorer och doktorander hitta nya tekniska lösningar för att bättre kunna bedriva evolutionsstudier av genetiskt modifierade celler som kan ersätta fler petrokemikalier med växtbaserat material. För detta krävdes en robust, flexibel och automatiserad bioreaktorkonfiguration som var skräddarsydd för att möta de specifika utmaningar som är kopplade till evolutionsstudier.
Doktor Robert Mans, Assistant Professor vid Department of Biotechnology, förklarar varför deras vetenskapliga arbete i laboratoriet krävde större automatisering: – Utmaningen ligger i att cellerna är extremt komplexa och att det är omöjligt att alltid helt förstå vad som händer inuti dem. Ibland beter sig genetiskt modifierade celler som avsett – och andra gånger blir de sjuka och växer långsamt. Vårt sätt att optimera detta är att använda händelseutvecklingen. Att låta cellerna utvecklas så att de blir friskare och växer snabbare. Och för detta krävs extremt tillförlitlig och steril utrustning, säger dr Mans. – Därför krävdes en lösning med större automatisering så att man skulle kunna uppnå en sluten verksamhet utan att behöva öppna något under de månadslånga körningarna.
Sophie de Valk, en av doktoranderna under handledning av doktor Mans, förklarar hur den tidigare uppställningen av systemet gjorde hennes arbete med genmanipulation av jäst mer komplext och tidsintensivt: – Tidigare var vi relativt begränsade när det gällde att automatisera händelseförloppet. Vi var tvungna att byta mediet för hand, alltid med risk för kontaminering och potentiella bakslag. Så det fanns definitivt ett behov av en exakt processtyrning och förmågan att skapa ännu mer komplexa systemskript.
Med en grundlig förståelse för dessa specifika krav behövde teamet vid Delfts tekniska universitet en partner som både kunde tillhandahålla nödvändig expertis och investera tid i att utforma en icke-standardiserad lösning. – Rent teoretiskt sett visste vi exakt vad vi ville ha. Men vi behövde någon som faktiskt kunde förverkliga vår vision. Någon som kunde skapa och implementera en lösning med all den flexibilitet som krävs för att utföra våra experiment, förklarar dr Mans.
– Vi kände redan till Getinge och vi vet att deras system är mycket robusta och tillförlitliga. Men jag tror att den största skillnaden för oss var att Getinge är så öppna för att skapa skräddarsydda lösningar. Att samarbeta och utveckla en anpassad lösning istället för att använda ett färdigt alternativ.
En komplex bioreaktor utvecklad för enkelhet
Rowin Timmermans, applikationsspecialist med 12 års erfarenhet av Applikon-lösningar, var en del av teamet som tog sig an utmaningen. Han förstod omedelbart att det för denna komplexa uppgift krävdes processkontrollskript i kundens SCADA-programvara som avsevärt kunde minska antalet manuella ingrepp. – Vi behövde automatisera två typer av långvariga processer: en upprepad batchprocess och en kemostat‑ eller accelerostatprocess. Normalt kräver båda processer en hel del manuella ingrepp. Den största utmaningen var därför att kombinera data från TU Delfts forskningsteams egna enheter för avgasanalys med alla processdata från Applikon ez-Control-systemet– och sedan använda dessa online-data för att automatiskt styra de upprepade batch- och kemostat- eller accelerostatprocesserna på önskat sätt, förklarar Timmermans.
Timmermans ansvarade för att skriva skripten som gör att man kan kontrollera allt som händer under jäsningsprocessen. Detta grundades på ett mycket nära samarbete med teamet från Department of Biotechnology vid Delft University of Technology. – Min primära roll var att programmera skripten i Lucullus®, mjukvarulösningen från Getinge, som gör att man kan uppnå processautomatisering. – Under vårt samarbete besökte jag universitetet flera gånger för att köra tester tillsammans. Jag tror att det här sättet att arbeta tillsammans, med frekvent och konstruktiv feedback, är nyckeln till framgång. Det är det enda sättet att helt sätta sig in i ett specifikt behov och komma på en lösning som är skräddarsydd exakt efter kundens behov, avslutar Timmermans.
På frågan om vilken som var den mest utmanande uppgiften under processen svarar han: – En av de största utmaningarna var att förstå hur principerna för kemostaten, och i synnerhet accelerostaten, fungerar – samt förstå komplexiteten hos vissa av de kriterier vi programmerade i skripten för att kunna gå från ett processteg till nästa.
Precis som Timmermans tyckte dr Mans och hans team att det nära samarbetet var värdefullt och en del av anledningen till att hela processen avslutades relativt snabbt. Dr Mans delar med sig av sina tankar kring samarbetet: – Jag trodde att vi skulle stöta på fler utmaningar. Det handlade i princip om att checka av en lista, vilket förvånade mig eftersom det är ett ganska komplicerat system att installera. På relativt kort tid lyckades vi uppfylla alla våra önskade resultat för systemet, efter en period av trial-and-error.
Kundanpassade fördelar – utformade för allmän användning
Sophie de Valk, doktor Mans doktorand, uppmärksammar några av höjdpunkterna och fördelarna med det nya systemet:
Jag gillar hur enkelt det är att övervaka många saker som pågår i reaktorn online. Tidigare var man alltid tvungen att först exportera data och sedan lägga in dem i Excel. Nu behöver man inte längre stirra på reaktorn hela tiden för att veta att allt fungerar friktionsfritt. Med bara tre klick kan man se vad som händer– även när man arbetar hemifrån.
Förutom tillgången till onlineövervakning var som helst nämner de Valk också enkelheten och flexibiliteten som kännetecknar det nya automatiserade evolutionssystemet: – Nu är det väldigt enkelt att ställa in ett ganska komplicerat automationsskript. Man behöver inte tillbringa flera veckor med studenter som bygger allt från början. Dessutom har det funnits gånger då vi ville finjustera vissa parametrar under evolutionerna i realtid. Nu går det att göra detta eftersom det är superenkelt att spåra signaler online och se hur allt fortskrider. Baserat på övervakningsdata kan vi justera pH-värdet, lufta mer genom sparging eller göra andra nödvändiga justeringar.
Trots att systemet är väldigt specialanpassat, så var det från början ämnat för allmän användning. I slutändan var både TU Delfts forskningsteam och teamet från Getinge så pass nöjda med resultatet att de därför höll ett gemensamt webbinarium med global spridning, där de delade med sig av sina lärdomar från samarbetet och berättade om användningsmöjligheterna med det toppmoderna automatiserade bioreaktorsystemet. Därför skrev Dr. Mans och hans team också en vetenskaplig rapport för att denna kunskap skulle bli tillgänglig för den globala akademiska gemenskapen.
Vi ger vetenskapen liv– och deltar aktivt
Slutligen frågade vi Sophie de Valk och dr Robert Mans från Delfts tekniska universitet om vilken som var den största drivkraften i deras arbete inom Life Science.
Klimatförändringarna är en del av drivkraften. Att veta att man faktiskt kan bidra och tillhandahålla ett alternativ till den fossilbaserade industrin så att den blir mer växtbaserad. Det känns jättebra. Även inom life-science går utvecklingen snabbt framåt. Just nu utvecklas banbrytande innovationer, och det är coolt att vara en del av den utvecklingen.
Dr Mans ser också det aktiva deltagandet i kampen mot klimatförändringarna som en enormt motiverande drivkraft. Som samhälle och världsbefolkning måste vi vidta stora åtgärder för att både begränsa och minska effekterna av klimatförändringarna. Att veta att vi bidrar genom att göra det vi gör varje dag är för mig en väldigt stor motivation. Annars hade jag känt att jag inte deltar aktivt. Jag vet att jag är en del av lösningen genom mitt jobb. Jag står inte bara vid sidan om. Jag deltar faktiskt aktivt, och förhoppningsvis gör jag en skillnad, avslutar han.
En av de största utmaningarna var att förstå hur principerna för kemostaten, och i synnerhet accelerostaten, fungerar – och förstå komplexiteten hos vissa av de kriterier vi programmerat in i skripten för att kunna fortsätta från det ena processteget till nästa.