Robótica de laboratorio

El elevado coste de muchos robots de laboratorio ha frenado su adopción. Sin embargo, actualmente existen numerosos dispositivos robóticos de muy bajo coste que podrían emplearse para realizar diversas tareas en un laboratorio. Por ejemplo, se utilizó un brazo robótico de bajo coste para realizar varios tipos de análisis de agua, sin pérdida de rendimiento en comparación con muestreadores automáticos mucho más caros. ^{[ 10 ]} Alternativamente, el muestreador automático de un dispositivo puede utilizarse con otro, ^{[ 9 ]} evitando así la necesidad de adquirir un muestreador automático diferente o contratar a un técnico para realizar el trabajo. Los aspectos clave para lograr un bajo coste en la robótica de laboratorio son: 1) el uso de robots de bajo coste, cada vez más comunes, y 2) el uso de scripts, que permite la compatibilidad entre robots y otros equipos analíticos. ^{[ 11 ]}

En julio de 2020, científicos informaron sobre el desarrollo de un robot químico móvil y demostraron que puede ayudar en búsquedas experimentales. Según los científicos, su estrategia consistía en automatizar al investigador en lugar de los instrumentos, liberando tiempo para que los investigadores humanos se dedicaran a la creatividad. El robot pudo identificar mezclas de fotocatalizadores para la producción de hidrógeno a partir de agua que eran seis veces más activas que las formulaciones iniciales. El robot modular puede operar instrumentos de laboratorio, trabajar prácticamente las 24 horas y tomar decisiones de forma autónoma sobre sus próximas acciones en función de los resultados experimentales. ^{[ 12 ] [ 13 ]}

Se está desarrollando un sistema de "laboratorios controlados remotamente" que realizan automáticamente muchos experimentos de ciencias biológicas al día y pueden ser operados, incluso en colaboración, desde lejos. ^{[ 14 ]}

Un área importante donde se ha aplicado la síntesis automatizada es la determinación de estructuras en la investigación farmacéutica . Procesos como RMN y HPLC - MS ahora pueden tener la preparación de muestras realizada por un brazo robótico. ^{[ 15 ]} Además, el análisis estructural de proteínas se puede realizar automáticamente utilizando una combinación de RMN y cristalografía de rayos X. La cristalización a menudo requiere cientos o miles de experimentos para crear un cristal de proteína adecuado para la cristalografía de rayos X. ^{[ 16 ]} Una máquina de micropipetas automatizada puede permitir que se creen casi un millón de cristales diferentes a la vez y se analicen mediante cristalografía de rayos X.

Por ejemplo, existen robots que se utilizan para analizar muestras de pacientes para diagnosticar la COVID-19 . ^{[ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]} Se han construido o se están construyendo sistemas robóticos automatizados de manipulación de líquidos para ensayos de flujo lateral . Esto minimiza el tiempo de manipulación manual, maximiza el tamaño del experimento y permite una mejor reproducibilidad. ^{[ 22 ]}

Las muestras biológicas y químicas, tanto líquidas como sólidas, se almacenan en viales, placas o tubos. A menudo, es necesario congelarlas o sellarlas para evitar la contaminación o conservar sus propiedades biológicas o químicas. En concreto, la industria de las ciencias biológicas ha estandarizado un formato de placa, conocido como placa de microtitulación , ^{[ 23 ]} para almacenar dichas muestras.

La Sociedad para el Cribado Biomolecular formalizó el estándar de placas de microtitulación en 1996. ^{[ 24 ]} Generalmente consta de 96, 384 o incluso 1536 pocillos para muestras dispuestos en una matriz rectangular de 2:3. El estándar rige las dimensiones de los pocillos (por ejemplo, diámetro, espaciado y profundidad), así como las propiedades de la placa (por ejemplo, dimensiones y rigidez).

Varias empresas han desarrollado robots diseñados específicamente para manipular microplacas SBS. Estos robots pueden ser manipuladores de líquidos que aspiran o dispensan muestras líquidas desde y hacia estas placas, o bien "transportadores de placas" que las trasladan entre instrumentos.

Otras empresas han llevado la integración aún más lejos: además de la interfaz con los consumibles específicos utilizados en biología, algunos robots (Andrew ^{[ 25 ]} de Andrew Alliance, véase la imagen) se han diseñado con la capacidad de conectarse a pipetas volumétricas utilizadas por biólogos y personal técnico. En esencia, toda la manipulación manual de líquidos se puede realizar automáticamente, lo que permite a los humanos dedicar su tiempo a actividades más conceptuales.

Las empresas de instrumentación han diseñado lectores de placas capaces de detectar eventos biológicos, químicos o físicos específicos en muestras almacenadas en dichas placas. Estos lectores suelen utilizar técnicas ópticas y/o de visión artificial para evaluar el contenido de los pocillos de las placas de microtitulación.

Una de las primeras aplicaciones de la robótica en biología fue la síntesis de péptidos y oligonucleótidos . Un ejemplo temprano es la reacción en cadena de la polimerasa (PCR), que permite amplificar cadenas de ADN utilizando un termociclador para microgestionar la síntesis de ADN ajustando la temperatura mediante un programa informático predefinido. Desde entonces, la síntesis automatizada se ha aplicado a la química orgánica y se ha expandido en tres categorías: sistemas de bloques de reacción , sistemas de brazos robóticos y sistemas fluidos no robóticos . ^{[ 26 ]} El objetivo principal de cualquier banco de trabajo automatizado es lograr procesos de alto rendimiento y reducir costos. ^{[ 27 ]} Esto permite que un laboratorio de síntesis opere con menos personal trabajando de manera más eficiente.

La robótica tiene aplicaciones en la química combinatoria, lo que repercute significativamente en la industria farmacéutica . Su uso ha permitido emplear cantidades mucho menores de reactivos y expandir la producción de bibliotecas químicas a gran escala. El método de síntesis paralela puede optimizarse mediante la automatización. La principal desventaja de la síntesis paralela es el tiempo necesario para desarrollar una biblioteca; por ello, se suele aplicar la automatización para agilizar este proceso.

Los principales tipos de automatización se clasifican según el tipo de sustratos de fase sólida, los métodos para agregar y eliminar reactivos y el diseño de las cámaras de reacción. Se pueden usar resinas poliméricas como sustrato para la fase sólida. ^{[ 28 ]} No es un método combinatorio verdadero en el sentido de "split-mix", donde un compuesto peptídico se divide en diferentes grupos y reacciona con diferentes compuestos. Luego se vuelve a mezclar, se divide en más grupos y cada grupo reacciona con un compuesto diferente. En cambio, el método de "síntesis paralela" no mezcla, sino que hace reaccionar diferentes grupos del mismo péptido con diferentes compuestos y permite la identificación del compuesto individual en cada soporte sólido. Un método popular implementado es el sistema de bloque de reacción debido a su costo relativamente bajo y mayor producción de nuevos compuestos en comparación con otros métodos de "síntesis paralela". La síntesis paralela fue desarrollada por Mario Geysen y sus colegas y no es un verdadero tipo de síntesis combinatoria, pero puede incorporarse a una síntesis combinatoria. ^{[ 29 ]} Este grupo sintetizó 96 péptidos en pines de plástico recubiertos con un soporte sólido para la síntesis de péptidos en fase sólida. Este método utiliza un bloque rectangular movido por un robot para que los reactivos puedan ser pipeteados por un sistema de pipeteo robótico. Este bloque está dividido en pocillos donde tienen lugar las reacciones individuales. Estos compuestos se separan posteriormente de la fase sólida del pocillo para su posterior análisis. Otro método es el sistema de reactor cerrado que utiliza un recipiente de reacción completamente cerrado con una serie de conexiones fijas para dispensar. Aunque produce un número menor de compuestos que otros métodos, su principal ventaja es el control sobre los reactivos y las condiciones de reacción. Los primeros sistemas de reacción cerrados se desarrollaron para la síntesis de péptidos que requerían variaciones en la temperatura y una amplia gama de reactivos. Algunos robots de sistemas de reactor cerrado tienen un rango de temperatura de 200 °C y más de 150 reactivos.

La destilación simulada, un tipo de método de análisis por cromatografía de gases utilizado en el petróleo, puede automatizarse mediante robótica. Un método anterior utilizaba un sistema llamado ORCA (Optimized Robot for Chemical Analysis) para el análisis de muestras de petróleo mediante destilación simulada (SIMDIS). ORCA ha permitido tiempos de análisis más cortos y ha reducido la temperatura máxima necesaria para eluir compuestos. ^{[ 30 ]} Una ventaja importante de la automatización de la purificación es la escala a la que se pueden realizar las separaciones. ^{[ 31 ]} Utilizando microprocesadores, la separación por intercambio iónico puede realizarse a escala de nanolitros en un corto período de tiempo.

Se han implementado sistemas robóticos en la extracción líquido-líquido (ELL) para optimizar el proceso de preparación de muestras biológicas mediante placas de 96 pocillos. ^{[ 32 ]} Este método, alternativo a la extracción en fase sólida y la precipitación de proteínas, ofrece la ventaja de ser más reproducible. La asistencia robótica ha logrado que la ELL sea comparable en velocidad a la extracción en fase sólida. Los sistemas robóticos utilizados en la ELL pueden realizar una extracción completa con cantidades en la escala de microlitros en tan solo diez minutos.

Una de las ventajas de la automatización es la mayor rapidez en el procesamiento, aunque no necesariamente superior a la de un operario humano. La repetibilidad y la reproducibilidad mejoran, ya que los sistemas automatizados presentan menos variaciones en las cantidades de reactivos y en las condiciones de reacción. Generalmente, la productividad aumenta al eliminarse las limitaciones humanas, como las de tiempo. La eficiencia también mejora, puesto que los robots pueden trabajar de forma continua y reducir la cantidad de reactivos necesarios para realizar una reacción. Además, se reduce el desperdicio de material. La automatización también puede crear entornos de trabajo más seguros, ya que no es necesario manipular compuestos peligrosos. Asimismo, permite que el personal se centre en otras tareas menos repetitivas.

Por lo general, el costo de una sola síntesis o evaluación de muestra es elevado, y el costo inicial para la automatización puede ser alto (pero véase más arriba "Robótica de laboratorio de bajo costo"). Muchas técnicas aún no se han desarrollado para la automatización. Además, existe dificultad para automatizar casos que requieren análisis visual, reconocimiento o comparación, como los cambios de color. Esto también conlleva que el análisis se vea limitado por las entradas sensoriales disponibles. Una posible desventaja es el aumento de la escasez de personal, ya que la automatización puede reemplazar a los empleados que realizan tareas fácilmente replicables por un robot. Algunos sistemas requieren el uso de lenguajes de programación como C++ o Visual Basic para ejecutar tareas más complejas. ^{[ 33 ]}