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Los laboratorios en la nube y la investigación remota no son el futuro de la ciencia: están aquí | Investigación médica

13 de septiembre de 2022

yoEs la 1 a. m. en la costa oeste de Estados Unidos, pero el Emerald Cloud Lab, justo al sur de San Francisco, todavía está ocupado. Aquí, más de 100 elementos de equipos biocientíficos de alta gama giran en bancos de trabajo en gran parte sin personal, las 24 horas del día, los siete días de la semana, realizando experimentos para investigadores de todo el mundo. Estoy «visitando» a través de la cámara en un robot de telepresencia a la altura del pecho, siendo conducido por el laboratorio de 1400 metros cuadrados (15 000 pies cuadrados) por el CEO de Emerald, Brian Frezza, quien también está sentado en casa. No hay científicos reales en ninguna parte, solo unos pocos miembros del personal con batas azules que siguen en silencio las instrucciones de las pantallas en sus carritos, asegurándose de que los instrumentos estén cargados con reactivos y muestras.

Los laboratorios en la nube significan que cualquier persona, en cualquier lugar, puede realizar experimentos por control remoto, usando nada más que su navegador web. Los experimentos se programan a través de una interfaz en línea basada en suscripción: el software luego coordina robots e instrumentos científicos automatizados para realizar el experimento y procesar los datos. El viernes por la noche es el momento más ocupado de la semana en Emerald, ya que los científicos programan experimentos para realizarlos mientras se relajan con sus familias durante el fin de semana.

Todavía hay algunas cosas que los robots no pueden hacer, por ejemplo, levantar bombonas gigantes (recipientes para líquidos) o desenvolver muestras enviadas por correo, y hay algunos instrumentos que simplemente no se pueden automatizar. De ahí las personas con batas azules, que se parecen un poco a los recolectores en un almacén de Amazon. Resulta que, de hecho, en su mayoría son ex empleados de Amazon.

Emerald originalmente empleó a científicos y técnicos de laboratorio para ayudar a que la instalación funcionara sin problemas, pero estaban asfixiados creativamente con tan poco que hacer. La caza furtiva de empleados de Amazon resultó ser una mejora. “Les pagamos el doble de lo que recibían en Amazon para hacer algo mucho más satisfactorio que llenar cajas con papel higiénico”, dice Frezza. “Estás manteniendo el experimento de descubrimiento de drogas de alguien funcionando a toda velocidad”.


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Más al sur, en el Área de la Bahía de San Francisco, hay otros dos laboratorios en la nube, administrados por la empresa Strateos. Bastidores de relucientes instrumentos de ciencias de la vida (incubadoras, mezcladores, espectrómetros de masas, máquinas de PCR) se sientan zumbando dentro de grandes cajas Perspex conocidas como celdas de trabajo. Podría decirse que la configuración es aún más futurista que en Emerald. Aquí, los reactivos y las muestras pasan rápidamente a la celda de trabajo correcta en cintas transportadoras magnéticas de alta tecnología y se cargan suavemente en su lugar mediante diestros brazos robóticos. Los experimentos de los investigadores están “deslocalizados”, como dice el director ejecutivo de operaciones de Strateos, Marc Siladi.

el laboratorio de la nube esmeralda en el sur de san francisco

El Laboratorio Nube Esmeralda en el sur de San Francisco. Los laboratorios están equipados con más de 200 tipos de instrumentos científicos que se pueden controlar de forma remota desde un «centro de mando» de software. Fotografía: Nube Esmeralda

La automatización en la ciencia no es nada nuevo, especialmente en campos como la biología molecular, donde gran parte del trabajo experimental implica la transferencia laboriosa y repetitiva de pequeñas cantidades de líquido de un vial a otro. La interrupción causada por la pandemia también alentó a varias instalaciones especializadas a desarrollar formas de operar sus equipos de forma remota. (Los haces de la poderosa Diamond Light Source del Reino Unido, por ejemplo, un acelerador de partículas que genera radiación de ultra alta energía para investigar la materia, ahora pueden ser operados por usuarios de cualquier parte del mundo). el proceso experimental tampoco es nuevo.

Pero Emerald y Strateos son diferentes: estos son los primeros laboratorios del mundo que, en teoría, permiten que cualquier persona con una computadora portátil y una tarjeta de crédito «pague y juegue» con todo el inventario de reactivos y el conjunto de instrumentos disponibles en una instalación de investigación de clase mundial. El atractivo de este enfoque se hizo evidente durante la pandemia, cuando muchos investigadores no pudieron visitar sus propios laboratorios en persona; los fundadores de los laboratorios en la nube dicen que este es el futuro de las ciencias de la vida.

El beneficio más obvio es la productividad: los investigadores pueden realizar varios experimentos a la vez y ponerlos en cola para ejecutarlos durante la noche o mientras hacen otras cosas. “Nuestros usuarios profesionales harán el trabajo de 10 científicos en un laboratorio tradicional”, dice Frezza. “Harán números ridículos”.

No se pierde tiempo instalando y desmontando equipos, limpiando, manteniendo y reparando instrumentos o reponiendo existencias. Arctoris, un laboratorio de descubrimiento de fármacos operado a distancia en Oxfordshire, dice que su plataforma ha completado proyectos para compañías farmacéuticas en 24 horas que podrían llevar al menos una semana en un entorno tradicional. En lugar de pipetear durante horas todos los días, los investigadores pueden dedicar más tiempo a pensar, leer y analizar los resultados con sus colegas.

Los científicos de la Universidad Carnegie Mellon de Pittsburgh quedaron tan impresionados por lo que el personal y los estudiantes podían hacer en el Emerald Cloud Lab (un investigador logró recrear años de experimentación de su doctorado en cuestión de semanas) que recientemente le pidieron a la compañía que construyera otro, solo para ellos.

Dado que un año de acceso a un laboratorio en la nube a menudo cuesta menos que el precio de una sola pieza de equipo de laboratorio de alta gama, la decana de la facultad de ciencias de Carnegie Mellon, Rebecca Doerge, dice que el modelo podría ser transformador. “No estoy interesado en simplemente cambiar la ciencia en Carnegie Mellon. Estoy interesada en cambiar el proceso de la ciencia en todo el mundo”, dice sobre las nuevas instalaciones en Pittsburgh. “Todos tenemos colegas en lugares de escasos recursos que no pueden hacer la ciencia de la que son capaces simplemente porque no tienen suficiente dinero. Entonces, con una conexión a Internet y acceso a un laboratorio en la nube, esto cambia las reglas del juego”.

un laboratorio inteligente de strateos en san diego, california

Un laboratorio inteligente de Strateos en San Diego. La empresa afirma haber «reimaginado el laboratorio como un centro inteligente de generación de datos». Fotografía: Strateos

Doerge, un estadístico convertido en administrador científico, también está entusiasmado con la eliminación de la variación y el error humano del trabajo experimental. No habrá científicos en el nuevo sitio de 1.500 metros cuadrados (16.000 pies cuadrados), solo media docena de técnicos ayudarán a que el lugar funcione las 24 horas del día. “La gente todavía va a los laboratorios húmedos y todavía se paran allí y cometen errores. No creo que todo sea automatizable en ciencia, no digo eso. Solo digo que las cosas repetitivas, una vez que las aprendes, no necesitas pararte ahí y hacerlas una y otra y otra vez”.

Científicos como Doerge creen que la precisión de los laboratorios operados a distancia podría ayudar a solucionar lo que se conoce como la «crisis de reproducibilidad» de la ciencia: la preocupante revelación de que los resultados de las investigaciones publicadas no se pueden replicar cuando diferentes grupos de científicos siguen el mismo métodos exactamente. Conectar un experimento a un navegador para que lo realicen los robots obliga a los investigadores a traducir los detalles exactos de cada paso en un código inequívoco. Por ejemplo, lo que alguna vez se podría haber descrito en un artículo científico como «mezclar las muestras» se convierte en instrucciones detalladas de computadora para que una determinada máquina mezcle a un cierto número de rotaciones por minuto durante un tiempo determinado. Otros factores que podrían afectar el resultado, como la temperatura ambiente en ese momento, se capturan en los metadatos.

Dado que Doerge ha fomentado que más y más investigación, e incluso enseñanza, en Carnegie Mellon se transfieran a laboratorios remotos, no todos sus colegas la han apoyado. Muchos científicos piensan que trabajar junto a colegas en el banco y las imágenes y los sonidos de la experimentación son lo que ayuda a generar ideas emocionantes y accidentes felices. A otros les preocupa la calidad de los datos producidos en laboratorios en los que nunca han puesto un pie. “’Si no lo veo con mis propios ojos, no existe’. profesores”, dice Doerge. “Es un cambio de mentalidad seguro”.

Algunos expertos creen que facilitar el acceso a laboratorios sofisticados es una amenaza potencial de bioseguridad o bioterrorismo. En teoría, pequeños grupos o incluso personas sin experiencia en investigación podrían usar un laboratorio en la nube para comenzar a realizar experimentos biológicos complejos. “Los laboratorios dicen que solo trabajan con socios confiables, pero, por supuesto, están muy interesados ​​​​en abrir su mercado”, dice la Dra. Filippa Lentzos, experta en riesgo biológico y bioseguridad en King’s College London. “Aunque debemos recordar que la mayoría de las personas provienen de un buen lugar, también hay algunas personas bastante locas. Las barreras definitivamente se están derrumbando si quieres hacer algo dañino deliberadamente”.

Los laboratorios en la nube dicen que revisan todos los experimentos programados y tienen sistemas para marcar o rechazar cualquiera que parezca ilegal o peligroso. Además, argumentan, la digitalización completa de todo lo que sucede en el laboratorio en realidad hace que sea más fácil registrar y monitorear lo que hace la gente que en un laboratorio tradicional.

Paul Freemont, cofundador del Centro de Innovación y Conocimiento de Biología Sintética del Reino Unido, ayudó a desarrollar varios laboratorios altamente automatizados en el Reino Unido, incluida una plataforma robótica que pudo realizar más de 1,000 pruebas de Covid al día al principio de la pandemia. No está seguro de que los laboratorios operados a distancia sean aún lo suficientemente «maduros» para replicar lo que está disponible para los científicos que configuran su propio equipo automatizado. “Me gusta el concepto y creo que esta es la forma en que se desarrollará la ciencia. Funcionaría si tuviéramos todos los protocolos y flujos de trabajo necesarios que un biólogo podría necesitar, pero creo que actualmente no está disponible para el nivel de complejidad y detalle que uno necesita”.

científicos de la universidad carnegie mellon trabajando en un laboratorio

Científicos de la Universidad Carnegie Mellon. La institución le ha pedido a Emerald que construya un laboratorio en la nube dedicado. Fotografía: Tim Kaulen/Universidad Carnegie Mellon

Freemont también tiene preocupaciones acerca de que los científicos no comprendan realmente o no interactúen con el software o el hardware que genera sus datos. “Tienes que hacer que la próxima generación de científicos comprenda cómo construir toda esta infraestructura por sí mismos y cómo trabajar con ella; seguramente tienes que tener algo de experiencia práctica. El potencial de que unos pocos laboratorios o grandes empresas privadas monopolicen esa comprensión, no creo que sea muy saludable”.

A pesar de estas preocupaciones, el apetito por la ciencia de la nube está creciendo. Emerald está ampliando su capacidad para satisfacer la demanda, principalmente de empresas farmacéuticas y nuevas empresas de biotecnología. Strateos está trabajando con la agencia de investigación estadounidense Darpa para estudiar en detalle cómo sus instalaciones pueden mejorar la reproducibilidad y la eficiencia de experimentos anteriores y la empresa también está otorgando licencias de su software para que otras instituciones puedan convertir sus instalaciones.

En el futuro, los laboratorios en la nube pueden incluso decidir qué experimentos hacer ellos mismos. Como ha demostrado recientemente la plataforma DeepMind de Google, las herramientas de aprendizaje automático ahora pueden engullir datos de décadas y escupir respuestas a preguntas que los científicos tardarían muchos años en resolver con una investigación física. Las compañías farmacéuticas utilizan cada vez más estas herramientas para simular interacciones moleculares en su búsqueda de nuevos medicamentos. Los datos generados a través de los laboratorios en la nube, que traducen la biología en una tecnología de la información, solo harían que estas herramientas sean más poderosas. La combinación de todas estas tecnologías podría conducir algún día a sistemas que puedan desarrollar teorías y probarlas físicamente sin intervención humana.

Algunos usuarios avanzados de Emerald Cloud Lab ya han desarrollado algoritmos que ajustan los parámetros o la dirección del próximo experimento en función de su propio análisis de datos. «Es algo salvaje, muy futurista», dice Frezza.

Todo esto significa que los científicos son la última profesión en preguntarse qué significa el cambio hacia la automatización y la IA para el futuro. ¿Podrían algún día los científicos de investigación más tradicionales quedarse sin trabajo? Es poco probable; después de todo, siempre necesitaremos que las personas prioricen qué preguntas deben responderse y desarrollen nuevas formas de responderlas. Pero los días de sentarse en un banco con una bata blanca y guantes junto a la llama de un mechero Bunsen pronto pueden ser cosa del pasado: se acerca la era del robot investigador.