13.04.2017

Wenn Roboter pipettieren

Kommt das vollautomatisierte Labor? Die deutsche Ingenieurwissenschaftlerin Kerstin Thurow ist davon überzeugt. Warum die Roboter auf dem Vormarsch sind, erklärte sie bei einer Viktor Kaplan Lecture an der ÖAW.

Noch ist der Roboter als Labor-Kollege eine eher seltene Spezies. Menschliche Maschinen, die Proben behandeln, analysieren und auswerten, werden derzeit in den Lebenswissenschaften nur vereinzelt eingesetzt, etwa in der Pharmaindustrie bei der Entwicklung von Wirkstoffen und beim Durchführen von Screenings für die Produktion von Medikamenten. Doch Kerstin Thurow, die am Center for Life Science Automation der Universität Rostock forscht, ist überzeugt, dass Kollege Roboter in Zukunft öfter im Labor anzutreffen ist, wie sie kürzlich bei einer Viktor Kaplan Lecture im Festsaal der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) erklärte.

Automatisch schneller

Gemeinsam mit ihrem Team forscht sie an der Entwicklung von automatisierten Laboren. Doch was lässt sich in einem Labor überhaupt an Roboter auslagern? Bei einer hohen Zahl an gleichartigen Proben können etwa mikrotiterplattenbasierte Automatisierungen verwendet werden, erklärte Thurow, zum Beispiel bei der Identifizierung von chiralen Verbindungen, die bei 90 Prozent der Arzneimittel vorkommen. Gemeint ist damit die unterschiedliche räumliche Anordnung von Atomen in einem Molekül, die gravierende Auswirkungen haben kann.

Während ein Laborant bis zu 60 Proben pro Woche bearbeitet, schafft ein Roboter 7.400.

Abhängig von der Struktur ist das Medikament Contergan beispielsweise entweder ein wirksames Schlafmittel oder Auslöser für Missbildungen, wenn es während einer Schwangerschaft eingenommen wurde. Um die chirale Reinheit von Arzneimitteln zu prüfen, setzten Thurow und ihr Team einen Roboter im Labor ein, der mit weiteren Systemen unterstützt wurde, wie einem Dosierer. Der Roboter bereitet die Proben auf Mikrotiterplatten vor und transportiert diese zu den weiteren Stationen, etwa zum Gerät, in dem die chemische Reaktion abläuft. Während ein Laborant bis zu 60 Proben pro Woche bearbeitet, konnten mit dieser multiparallelen Automatisierung 7.400 Proben pro Woche untersucht werden.

24 Stunden im Einsatz

Da aber besonders in der chemischen Analytik viel mit Einzelproben gearbeitet wird, ist das robotergestützte Arbeiten mit Mikrotiterplatten hier nur begrenzt anwendbar. Wie können also Einzelproben automatisiert untersucht werden, etwa wenn große Mengen Altholz auf ihren Quecksilberanteil analysiert werden sollen? Roboter müssen hier Proben transportieren, verschiedene Stationen im Labor verbinden – und auch Gefäße auf- und zuschreiben, woran die von der Forschungsgruppe benutzten Roboter scheiterten, weil deren Finger abbrachen.

Doch die Wissenschaftler/innen fanden auch hier eine Lösung: sie setzten mehrere Roboter mit verschiedenen Aufgaben ein. Barcodes stellten dabei sicher, dass die automatisierten Laboranten korrekt arbeiten. Die getesteten Roboter waren zwar im Vergleich mit geübten menschlichen Laborant/innen nicht schneller, da sie aber 24 Stunden durchgehend im Betrieb sein können, wurden in der Woche vier bis fünfmal so viele Proben untersucht, erzählte Thurow. Ein weiterer Vorteil der Roboter: sie können gleichmäßiger arbeiten, während Menschen bei gleichartiger Arbeit schneller ermüden.


Neue Arbeitsabläufe notwendig

Doch um Labore kostengünstig und effizient zu automatisieren, braucht es noch mehr: Notwendig seien auch Änderungen im Arbeitsablauf. Labore von Pharmafirmen arbeiten jedoch nach streng regulierten Kriterien und nach bestimmten, genehmigten Protokollen. Automatisierung erfordert daher eine Integration der neuen Techniken in die Arbeit mit klassischen Laborgeräten.

Damit ein Roboter die gleichen Arbeitsschritte absolviert wie Laborant/innen sind etwa 160 Programme notwendig.

Benötigt werden Roboter, die aktiv Proben manipulieren, Gefäße aufschrauben und pipettieren, ohne dass dafür zusätzliche Systeme angeschafft werden müssen. Kurzum: Roboter, die statt Techniker/innen einen Laborplatz haben, ausgestattet mit herkömmlichen Geräten, wie Zentrifugen, Mischern, Heizblockern, unterschiedlichen Pipetten und Waagen. Mobile Roboter transportieren die Reagenzien, können Türen öffnen und den Lift verwenden. Für die Datenanalyse müssen die Daten dann von allen Analysegeräten entnommen und bereinigt werden, bevor sie in Messergebnistabellen exportiert werden.

Was für Menschen einfach klingt, ist in der maschinellen Umsetzung wesentlich komplizierter: damit ein Roboter die gleichen Arbeitsschritte absolviert wie Laborant/innen sind etwa 160 Programme notwendig, die in verschiedene Module unterteilt sind.

Menschenleere Labore der Zukunft?

Doch davon lässt sich Thurow nicht abschrecken. Sie hat das Ziel, eines Tages vollautomatisierte Labore zu realisieren. Im so genannten „future lab“ am Center für Life Science Automation arbeiten stationäre, flexible Roboter, die wie Menschen aussehen und die Arbeit von Laborant/innen übernehmen. Mit ihren zwei Armen haben sie dabei gegenüber den Menschen einen Vorteil: sie können komplett unterschiedliche Arbeiten parallel erledigen, etwas, bei dem das menschliche Gehirn sich querstellen kann.

Während im Forschungsbereich bereits mit neuronalen Netzwerken und künstlicher Intelligenz gearbeitet werde, sei das laut Thurow im Labor noch nicht der Fall. Für die Forscherin ist die Entwicklung hin zu solchen automatisierten Laboren nicht aufzuhalten. Damit müsse man sich aber auch die Frage stellen, wie man damit umgehen will. Eine Konsequenz ist etwa, dass Arbeitsplätze für Laborant/innen wegfallen. Allerdings gibt Thurow zu bedenken: „Mir haben Kunden schon gesagt, dass wenn sie nicht automatisieren würden, sie in andere Länder mit geringeren Personalkosten auswandern müssten.“