Automatiseret maskinlæringsrobot åbner op for nyt potentiale for genetisk forskning

Forskere fra University of Minnesota Twin Cities har konstrueret en robot, der bruger maskinlæring til fuldt ud at automatisere en kompliceret mikroinjektion, der bruges i genetisk forskning.

I deres eksperimenter var forskerne i stand til at bruge denne automatiserede robot til at manipulere genetikken i flercellede organismer, herunder frugtflue- og zebrafiskembryoner. Teknologien vil spare laboratorier tid og penge, samtidig med at de lettere kan udføre nye, store genetiske eksperimenter, som ikke tidligere var mulige ved hjælp af manuelle teknikker

Forskningen, med titlen "High-throughput genetisk manipulation af multicellulære organismer ved hjælp af en maskinsynsstyret embryonisk mikroinjektionsrobot," er omtalt på forsiden af ​​april 2024-udgaven af ​​GENETICS , en åben adgangsjournal. Arbejdet blev ledet i fællesskab af to universitetsstuderende i maskinteknik ved University of Minnesota, Andrew Alegria og Amey Joshi. Holdet arbejder også på at kommercialisere denne teknologi for at gøre den bredt tilgængelig gennem University of Minnesota opstartsvirksomhed, Objective Biotechnology.

Mikroinjektion er en metode til at indføre celler, genetisk materiale eller andre midler direkte i embryoner, celler eller væv ved hjælp af en meget fin pipette. Forskerne har trænet robotten til at opdage embryoner, der er en hundrededel af størrelsen af ​​et riskorn. Efter detektering kan maskinen beregne en sti og automatisere processen med injektionerne.

"Denne nye proces er mere robust og reproducerbar end manuelle injektioner," sagde Suhasa Kodandaramaiah, en lektor i maskiningeniør ved University of Minnesota og seniorforfatter af undersøgelsen. "Med denne model vil individuelle laboratorier være i stand til at tænke på nye eksperimenter, som du ikke kunne undvære denne type teknologi."

Typisk kræver denne type forskning højtuddannede teknikere til at udføre mikroinjektionen, hvilket mange laboratorier ikke har. Denne nye teknologi kan udvide muligheden for at udføre store eksperimenter i laboratorier og samtidig reducere tid og omkostninger.

"Dette er meget spændende for genetikkens verden. At skrive og læse DNA er blevet drastisk forbedret i de senere år, men at have denne teknologi vil øge vores evne til at udføre store genetiske eksperimenter i en lang række organismer," siger Daryl Gohl, en medforfatter af undersøgelsen, gruppelederen for University of Minnesota Genomics Centers Innovation Lab og forskningsassistent professor i Institut for Genetik, Cellebiologi og Udvikling.

Ikke alene kan denne teknologi bruges i genetiske eksperimenter, men den kan også hjælpe med at bevare truede arter gennem kryokonservering, en konserveringsteknik, der udføres ved ultralave temperaturer.

"Du kan bruge denne robot til at injicere nanopartikler i celler og væv, som hjælper med kryokonservering og i processen med genopvarmning bagefter," forklarede Kodandaramaiah.

Andre teammedlemmer fremhævede andre applikationer til teknologien, som kunne have endnu mere effekt.

"Vi håber, at denne teknologi i sidste ende kan bruges til in vitro-befrugtning, hvor du kan detektere disse æg på mikroskala niveau," sagde Andrew Alegria, medforfatter på papiret og University of Minnesotas mekanikingeniøruddannet forskningsassistent i Biosensing og Biorobotics Lab.

Ud over Kodandaramaiah, Gohl, Alegria og Joshi inkluderede holdet flere forskere fra University of Minnesotas College of Science and Engineering og University of Minnesota Genomics Centers Innovation Lab. Holdet vandt for nylig universitetets "Walleye Tank" life science-konkurrence. Denne life science pitch-konkurrence giver uddannelses- og salgsfremmende muligheder for nye og etablerede medicinske og life science-virksomheder.

Denne forskning blev afsluttet i samarbejde med Engineering Research Center for Advanced Technologies for the Preservation of Biological Systems (ATP-Bio) og University of Minnesota Zebrafish Core.

Flere oplysninger: Andrew D Alegria et al., High-throughput genetisk manipulation af multicellulære organismer ved hjælp af en maskinsynsstyret embryonisk mikroinjektionsrobot, GENETIK (2024). DOI:10.1093/genetics/iyae025

Journaloplysninger: Genetik

Leveret af University of Minnesota