Forskare från University of Minnesota Twin Cities har konstruerat en robot som använder maskininlärning för att helt automatisera en komplicerad mikroinjektion som används i genetisk forskning.

I sina experiment kunde forskarna använda denna automatiserade robot för att manipulera genetiken hos flercelliga organismer, inklusive embryon för fruktflugor och zebrafiskar. Tekniken kommer att spara tid och pengar för laboratorier samtidigt som det gör det lättare för dem att genomföra nya, storskaliga genetiska experiment som tidigare inte var möjliga med manuella tekniker

Forskningen, med titeln "High-throughput genetisk manipulation av flercelliga organismer med hjälp av en maskinseende guidad embryonal mikroinjektionsrobot", finns med på omslaget till aprilnumret 2024 av GENETICS , en dagbok med öppen tillgång. Arbetet leddes tillsammans av två University of Minnesotas maskinteknikstudenter Andrew Alegria och Amey Joshi. Teamet arbetar också med att kommersialisera den här tekniken för att göra den allmänt tillgänglig genom uppstartsföretaget Objective Biotechnology vid University of Minnesota.

Mikroinjektion är en metod för att introducera celler, genetiskt material eller andra medel direkt i embryon, celler eller vävnader med hjälp av en mycket fin pipett. Forskarna har tränat roboten att upptäcka embryon som är en hundradel av storleken på ett riskorn. Efter upptäckt kan maskinen beräkna en bana och automatisera processen för injektionerna.

"Denna nya process är mer robust och reproducerbar än manuella injektioner", säger Suhasa Kodandaramaiah, docent i maskinteknik vid University of Minnesota och senior författare till studien. "Med den här modellen kommer enskilda laboratorier att kunna tänka ut nya experiment som du inte skulle kunna göra utan den här typen av teknik."

Vanligtvis kräver denna typ av forskning mycket skickliga tekniker för att utföra mikroinjektionen, vilket många laboratorier inte har. Denna nya teknik kan utöka möjligheten att utföra stora experiment i laboratorier, samtidigt som tid och kostnader minskar.

"Det här är väldigt spännande för genetikvärlden. Att skriva och läsa DNA har förbättrats drastiskt under de senaste åren, men att ha den här tekniken kommer att öka vår förmåga att utföra storskaliga genetiska experiment i ett brett spektrum av organismer", säger Daryl Gohl, en medförfattare till studien, gruppledaren för University of Minnesota Genomics Centers Innovation Lab och forskningsassistent vid institutionen för genetik, cellbiologi och utveckling.

Denna teknik kan inte bara användas i genetiska experiment, utan den kan också hjälpa till att bevara hotade arter genom kryokonservering, en konserveringsteknik som utförs vid ultralåga temperaturer.

"Du kan använda den här roboten för att injicera nanopartiklar i celler och vävnader som hjälper till med kryokonservering och i processen att återuppvärmas efteråt," förklarade Kodandaramaiah.

Andra teammedlemmar lyfte fram andra applikationer för tekniken som kan ha ännu större inverkan.

"Vi hoppas att den här tekniken så småningom kan användas för provrörsbefruktning, där du kan upptäcka de äggen på mikroskalanivå", säger Andrew Alegria, medförfattare på tidningen och University of Minnesota forskarassistent inom maskinteknik i Biosensing och Biorobotics Lab.

Förutom Kodandaramaiah, Gohl, Alegria och Joshi inkluderade teamet flera forskare från University of Minnesotas College of Science and Engineering och University of Minnesota Genomics Centers Innovation Lab. Teamet vann nyligen universitetets "Walleye Tank" life science-tävling. Denna life science pitch-tävling ger utbildning och marknadsföringsmöjligheter för framväxande och etablerade medicinska och life science-företag.

Denna forskning slutfördes i samarbete med Engineering Research Center for Advanced Technologies for the Preservation of Biological Systems (ATP-Bio) och University of Minnesota Zebrafish Core.

Mer information: Andrew D Alegria et al, Genetisk manipulation med hög genomströmning av flercelliga organismer med hjälp av en maskinseende guidad embryonal mikroinjektionsrobot, GENETIK (2024). DOI:10.1093/genetics/iyae025

Journalinformation: Genetik

Tillhandahålls av University of Minnesota