AGAMEDE to pierwsza kobieta naukowiec w historii. Pisał o niej Homer w XII w. p.n.e. Przedstawił ją jako tę, która znała uzdrawiającą moc wszystkich ziół i umiała je właściwie mieszać. To właśnie na jej cześć nazwano system automatyki laboratoryjnej, który opracowano w Instytucie Chemii Bioorganicznej Polskiej Akademii Nauk. Unikatowość AGAMEDE nie jest związana z automatyzacją prac laboratoryjnych. Polega na integracji automatyki i systemu sztucznej inteligencji służącego do interpretacji danych za pomocą oprogramowania Gene Game firmy Labomatica. Dzięki takiemu połączeniu system stanowi „zamkniętą pętlę”. Zrobotyzowane urządzenia przygotowują eksperymenty, odczytują wyniki w ustalonym czasie i interpretują dane, aby przygotować kolejny cykl doświadczalny. Zadania operatora sprowadzone są do formułowania problemu badawczego i zaprojektowania układu doświadczalnego do jego testowania. Następnie  przygotowuje roztwory i nadzoruje poprawne działanie urządzeń. Zadania systemu to wykonywanie 24 godziny na dobę doświadczeń i dostarczenie rozwiązania.

– AGAMEDE to system wysokoprzepustowy, łączący sztuczną inteligencję z automatyką. Jest przełomowy, ponieważ większość systemów automatycznych, jakie powstają, jest co prawda wysokoprzepustowych, ale po skończonym doświadczeniu niezbędna jest osoba, która subiektywnie analizuje wyniki i planuje kolejne doświadczenie. Natomiast AGAMEDE, dzięki modułowi sztucznej inteligencji, interpretuje doświadczenia bez udziału człowieka, bazując na modelach matematycznych – podkreśla dr Radosław Pilarski, pomysłodawca i główny inżynier systemu. – AGAMEDE może być wykorzystywany przez centralne laboratoria diagnostyczne, firmy farmaceutyczne w poszukiwaniu leków, laboratoria onkologiczne poszukujące spersonalizowanych terapii dla pacjenta, może być także stosowany w działach badawczo-rozwojowych firm chemicznych i biotechnologicznych do optymalizacji bioprocesów – dodaje.

Projekt EPICELL’a

Prace nad AGAMEDE zaczęły się w Instytucie Chemii Bioorganicznej PAN w 2015 r. System powstawał początkowo na potrzeby projektu EPICELL finansowanego przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju (NCBR) w ramach programu STRATEGMED „Profilaktyka i leczenie chorób cywilizacyjnych”. Projekt miał na celu opracowanie zoptymalizowanych mediów służących do pozyskiwania kardiomiocytów o potencjale terapeutycznym z indukowanych pluripotentnych komórek macierzystych (iPSC), które wcześniej pozyskuje się w procesie odróżnicowania komórek mięśniowych (miocytów). Konsorcjum EPICELL (Instytut Chemii Bioorganicznej PAN, Instytut Genetyki Człowieka PAN i trzy szpitale z Poznania), łącząc ekspertyzę m.in. w obszarze małocząsteczkowych modulatorów epigenetycznych oraz doświadczenie w zakresie przeprogramowywania komórek, podjęło badania prowadzące w przyszłości do opracowania metod transformacji indukowanych iPSC dla celów medycyny regeneracyjnej – docelowej implantacji do serc pacjentów po zawale.

– W założeniu miały spowodować powrót wydajności serca do stanu sprzed zawału. Wyzwanie stanowiła liczba wymaganych doświadczeń do zaprojektowania odpowiedniego „koktajlu niskocząsteczkowych modulatorów epigenetycznych”. Dla 10 składników koktajlu i 10 różnych stężeń liczba potrzebnych doświadczeń do ich sprawdzenia wynosiła 10 000 000 000. Do poszukiwania właściwej kombinacji związków w wielowymiarowym układzie rozwiązań wykorzystano AGAMEDE. W konsekwencji opracowano skład medium reprogramującego „EPICELL One” – wyjaśnia prof. Wojciech Markiewicz, lider projektu EPICELL.

Nawet 15 tys. testów w ciągu doby

Sytuacja zmieniła się w marcu 2020 r. Wówczas największym wyzwaniem stał się COVID-19. Instytut Chemii Bioorganicznej PAN od początku swojego istnienia zajmuje się kwasami nukleinowymi RNA i DNA. Miał wszelkie możliwości, by zająć się diagnostyką SARS-CoV-2. – Nasz Instytut jako pierwszy w Polsce opracował testy na wykrywanie SARS-CoV-2 – MediPAN. Wkrótce zdecydowaliśmy się połączyć automatykę AGAMEDE z naszymi testami. Opracowaliśmy wysokoprzepustowy protokół diagnostyczny, który pozwala w ciągu doby przebadać 15 tys. próbek. Przynajmniej taki jest potencjał, bo ICHB PAN jako jednostka naukowa nie posiada akredytowanego laboratorium diagnostycznego. To bardzo dobry wynik. W przypadku ręcznej analizy próbek jedna osoba może opracować najwyżej kilkaset prób – mówi prof. Marek Figlerowicz, dyrektor ICHB PAN.

Robot Mitsubishi Electric

Projekt AGAMEDE powstał przy udziale partnerów technologicznych: Mitsubishi Electric, Labomatica i Perlan Technologies. Firma Mitsubishi Electric dostarczyła 6-osiowego robota, sterowniki PLC oraz oprogramowanie firma MELFA Basic. Przemysłowy robot Mitsubishi o dużym zasięgu ramienia to centralny element systemu. Warto podkreślić, że odtwarza pracę technika laboratoryjnego, obsługując w sposób ciągły instrumenty analityczne według protokołów doświadczalnych wprowadzonych przez operatora do oprogramowania sterującego.

Zintegrowany zestaw instrumentów obsługiwanych przez robota umożliwia wykonywanie doświadczeń w mikroskali na 96- i 384-dołkowych płytkach mikrotestowych. Zestaw ten obejmuje przemysłowe inkubatory do prowadzenie kultur komórkowych, podajniki płytek i tipsów, a także stacje pipetujące, etykietownice, skanery kodów kreskowych, zaklejarki płytek, czytniki fluorescencyjne i spektrofotometry. Szczególne miejsce w instrumentarium zajmuje automatyczny mikroskop konfokalny HCA z czterema kanałami fluorescencyjnymi. Dla społeczności biologów instrument ten jest odpowiednikiem teleskopu Hubble’a, który został przeniesiony do mikrokosmosu. Zamiast obiektów astronomicznych z podobną jakością i wydajnością fotografuje i analizuje miliony komórek i struktur tkankowych. Dopełnieniem aparatury jest akustyczny dyspenser dozujący nanonlitrowe objętości cieczy (milionowe części mililitra). Szybkie dozowanie tak małych objętości roztworów obniża koszt prowadzenia badań i zwiększa przepustowość. Umożliwia prowadzenie doświadczeń z wykorzystaniem posiadanej kolekcji ponad 115 tys. związków chemicznych.

– Przy realizacji pierwszego w Polsce tak zaawansowanego systemu łączącego robotykę z urządzeniami laboratoryjnym skorzystaliśmy z naszych międzynarodowych doświadczeń. Bardzo pomocne okazało się wsparcie międzynarodowej struktury Mitsubishi Electric dedykowanej do projektów innowacyjnych – mówi Roman Janik, koordynator rozwiązań dla branży LifeScience w Polsce. – Wszyscy pracowaliśmy pod presją czasu, aby rozwiązanie odciążające techników laboratoryjnych powstało jak najszybciej. Przy tym wszystkim zapewniliśmy tygodniową wydajność instalacji na 100 tys. próbek z możliwością skalowania, co jest wynikiem fenomenalnym – podkreśla.

Połączenie wielu światów

Presja czasu nie ułatwiała zadania, które i bez tego było skomplikowane. – Projekt AGAMEDE jest projektem interdyscyplinarnym łączącym świat robotyki, informatyki, wzornictwa przemysłowego, matematyki, biologii oraz chemii. Zastosowane w nim rozwiązania są innowacyjne oraz jedynie w swoim rodzaju. Jak w wielu projektach, głównym wyzwaniem, z jakim musieliśmy się zmierzyć, było wyznaczenie celu oraz drogi, w jaki sposób chcielibyśmy go osiągnąć. Kluczem było znalezienie wspólnego „technicznego języka”, dzięki któremu osoby z różnych branż mogły się porozumieć i jasno przedstawić swoje oczekiwania na jednej płaszczyźnie. Niejednokrotnie trudne było połączenie świata akademickiego, który myśli abstrakcyjnie, ze światem przemysłu, gdzie najczęściej podąża się wedle utartego schematu – wspomina Tomasz Scholz, inżynier ds. robotyzacji w Mitsubishi Electric.

Antyk i futuryzm

W efekcie prac powstał system, który ma nie tylko świetne pracuje, ale i ciekawie wygląda. – Identyfikacja wizualna nawiązuje do starożytnej Grecji. Stanowi uznanie dla początków myśli naukowej naszej cywilizacji, a przede wszystkim – dla kobiet w nauce. Na plakacie przedstawiającym wizualizację mitycznej AGAMEDE dodaliśmy elementy futurystyczne. Dzięki temu powstała postać rzeźby antycznej i cyborga. Niebieski, podświetlony mózg oraz motyw bitów to połączenie ludzkich procesów myślowych i sztucznej inteligencji. Postać ma kojarzyć się z humanoidalnym robotem, który rozwiązuje kombinatoryczne zadania symbolizowane przez składane sześciany, jak w kostce Rubika. Umieszczamy ją na wszystkich materiałach promocyjnych, także na opakowaniach produktów i prototypów powstałych z wykorzystaniem AGAMEDE. Podążając za aktualnymi trendami w branży sztucznej inteligencji, stronę internetową www.agamede.ai promującą projekt założyliśmy w narodowej domenie karaibskiej wyspy Anguilla, która ma skrót AI – wymienia dr Radosław Pilarski.

Podkreśla, że w pracach projektowych zadbano również o przestrzeń laboratoryjną, w której umieszczono instalację. Pomieszczenie czyste do aseptycznego prowadzenia kultur komórkowych w większości laboratoriów jest ciemne i bez okien. Tutaj zyskało zupełnie nowe oblicze, łamiąc dotychczasowe standardy. Jest doskonale oświetlone dzięki dużym, dokładnie uszczelnionym oknom. Dodano tafle ze szkła. Umożliwiają one stałe obserwowanie i kontrolę systemu bez potrzeby ubierania się w niewygodne kombinezony do prac w strefie czystej. Nowoczesnego charakteru dodało oświetlenie aparatury przez reflektory sceniczne. Trzy wiązki światła w kolorach: niebieskim, czerwonym i białym miksują się na aparaturze AGAMEDE. Całość podkreślają refleksy, powstające w wyniku odbijania wiązek od elementów metalowych. Stoły do pracy wykonano ze śnieżnobiałego corianu. Jest to niezwykle gładki, ale i dający się dobrze formować kompozyt. W ostatnich latach zyskał znaczną popularność wśród projektantów i architektów. Pracę usprawniają wysokorozdzielcze monitory 4K oraz kamery. Umożliwiają one zdalny nadzór nad AGAMEDE i prowadzenie doświadczeń z dowolnego miejsca na świecie.

Rygor certyfikacji 

AGAMEDE stanowi kluczowy element infrastruktury Centrum Wysokoprzepustowych Badań Przesiewowych ICHB PAN. Centrum jest jednym z niewielu miejsc na akademickiej mapie Polski umożliwiających poszukiwanie związków biologicznie czynnych, w tym kandydatów na leki, w prawdziwie wysokoprzepustowy sposób. – Optymalizacja i rozbudowa AGAMEDE, wspierana w ramach dotacji Ministerstwa Edukacji i Nauki, umożliwiła uzyskanie rygorystycznej certyfikacji konsorcjum europejskiej infrastruktury badawczej EU-OPENSCREEN-ERIC/POL-OPENSCREEN. W ten sposób dołączyliśmy do kilkudziesięciu wiodących instytucji w Europie w zakresie poszukiwania związków biologicznie czynnych, podnosząc prestiż i jakość polskiej nauki oraz oferując unikatową szansę na rozwój innowacyjnych firm sektora prywatnego w Polsce – kończy dr Jacek Kolanowski, kierownik Centrum.

AGAMEDE przeciwko COVID-19