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Artículo revisado por Dana CortadeDoctorado de Alinear para Innovar.

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Los laboratorios en la nube brindan acceso remoto a instrumentos, reactivos y robots científicos automatizados.

¿Qué son los laboratorios remotos?

Laboratorios remotos Son laboratorios físicos que permiten a los investigadores realizar experimentos sin estar físicamente cerca del equipo. Ofrecen acceso remoto a reactivos sin procesar, instrumentos, preparación de muestras y procesos experimentales paso a paso. Además de mejorar el acceso a experimentos complejos para más investigadores, los laboratorios remotos también pueden minimizar el error humano al automatizar los flujos de trabajo.1

¿Qué son los laboratorios en la nube?

Laboratorios en la nube son un tipo de laboratorio remoto que permite a los investigadores realizar sus experimentos de forma remota utilizando una computadora y una infraestructura basada en la nube.2 La nube es una extensa red de servidores de software a los que se puede acceder a través de una interfaz en línea desde cualquier ubicación geográfica. Los laboratorios en la nube brindan acceso a software que coordina instrumentos científicos automatizados, inventarios (por ejemplo, reactivos químicos) y robots para realizar experimentos y procesar datos.3 Al iniciar sesión en la nube, los investigadores pueden llevar a cabo protocolos biológicos escalables, estandarizados y sólidos en laboratorios operados de forma remota.

Inicio y desarrollo de laboratorios remotos para la investigación científica

El idea de trabajo remoto Se remonta a la década de 1970, cuando Jack Nilesingeniero de la NASA, propuso el uso del teletrabajo para aliviar la congestión del tráfico.4 La llegada de las computadoras personales y el acceso generalizado a Internet a principios de la década de 2000 ha contribuido al concepto de trabajo remoto siendo aceptado popularmente como un acuerdo de trabajo viable en muchas disciplinas.5

En la investigación científica, el brote de la pandemia de COVID-19 destacó la fuerte dependencia de los investigadores del trabajo en persona y las limitaciones de los procedimientos experimentales que dependen de humanos.6 Fue durante este tiempo que los laboratorios en la nube ganaron inmensa popularidad en el comunidad de investigación.7 Actualmente, la demanda de servicios de laboratorio en la nube está creciendo a un ritmo más rápido en comparación con los niveles previos a la pandemia.

Cronología que destaca los hitos de la investigación remota: un ingeniero de la NASA propuso el concepto de trabajo remoto en la década de 1970;  Los avances clave en la automatización de laboratorios tuvieron lugar en la década de 1990;  los investigadores construyeron el primer robot científico en la década de 2000;  los primeros laboratorios comerciales en la nube se establecieron en la década de 2010;  y la pandemia de covid puso de relieve los beneficios de las soluciones de investigación remota en la década de 2020.

El progreso y la adopción de laboratorios remotos surgen de hitos importantes en las tecnologías de trabajo remoto, la automatización de laboratorios, la robótica, la infraestructura de la nube y la respuesta a la pandemia.

El científico

Tecnologías utilizadas en laboratorios remotos

La creación de laboratorios remotos ha sido posible gracias al rápido progreso en la automatización, facilitado por los avances en robótica y inteligencia artificial (IA).2,8

Automatización de laboratorio

La automatización es una estrategia multidisciplinaria que permite el funcionamiento de herramientas e instrumentos de laboratorio con una mínima interacción humana. La automatización también mejora el rendimiento de las muestras, lo que ahorra una cantidad considerable de tiempo de descubrimiento y contribuye a avances que convencionalmente están limitados por los métodos manuales. Para automatizar su investigación, los científicos dependen de equipos automatizados. «Esperamos que con el tiempo y la innovación cada vez más laboratorios tengan acceso a la automatización, ya sea dentro de sus propios laboratorios, en instalaciones centrales que puedan utilizar o en entidades comerciales como los laboratorios en la nube», dijo Dana Cortadegerente de proyectos técnicos en Align to Innovate, una organización científica sin fines de lucro que se enfoca en mejorar la ciencia a través de la automatización.

Robótica

La robótica desempeña un papel clave en la automatización de las operaciones estándar de laboratorio y la reducción de los errores humanos. Como ejemplo, robots de manipulación de líquidos en laboratorios remotos permiten la preparación de reactivos y la transferencia de muestras entre diferentes pasos experimentales con alta precisión.9 Automatización usando robots de pipeteo es otra estrategia que ahorra tiempo para el procesamiento simultáneo de muchas muestras y al mismo tiempo reduce los riesgos de contaminación.10

Inteligencia artificial

La IA ha contribuido significativamente al desarrollo de laboratorios automatizados y remotos. Dentro del ámbito de la IA, el aprendizaje automático (ML) utiliza modelos matemáticos para realizar tareas de predicción complejas. Los laboratorios en la nube suelen utilizar modelos de aprendizaje automático para predecir propiedades de materiales y resultados experimentales, lo que respalda flujos de trabajo automatizados y semiautomáticos. Los algoritmos basados ​​en IA ayudan a los científicos analizar grandes datos más rápido al automatizar el proceso.11

Ejemplos de laboratorios remotos

Laboratorios comerciales en la nube

Dos ejemplos de laboratorios en la nube comerciales son Strateos y Emerald Cloud Lab.12,13 Ambos brindan principalmente servicios a investigadores de la industria. Strateos desarrolla plataformas de laboratorio en la nube internas para empresas privadas que trabajan en el descubrimiento y caracterización de fármacos. Emerald Cloud Lab ofrece muchos servicios de laboratorio, como preparación de muestras, bioensayos, síntesis de ADN y péptidos, bioimagen y caracterización de biomateriales. Arctoris es otro laboratorio remoto comercial que es una organización multinacional de investigación por contrato (CRO) basada en tecnología. Ofrece una plataforma operada de forma remota que se centra principalmente en el descubrimiento y prueba de fármacos automatizados impulsados ​​por IA.14

Biofundiciones

Biofundiciones son otro tipo de laboratorio remoto; Ofrecen infraestructura para probar organismos genéticamente modificados para diferentes aplicaciones biotecnológicas, como la producción de antibióticos, bioplásticos y biocombustibles.15 Aunque se han establecido muchas biofundiciones en los últimos cinco años, no se utilizan ampliamente en las comunidades de investigación biotecnológica o biológica, en gran parte debido a la falta de conciencia. Iniciativas recientes como La Alianza Mundial de Biofundición Su objetivo es fomentar la coordinación entre biofundiciones y ampliar su alcance global.15

Laboratorios autónomos

El reciente crecimiento de las técnicas de experimentación automatizadas y la ciencia de datos ha llevado al desarrollo de laboratorios autónomos.dieciséis Estos laboratorios mejoran la síntesis y caracterización de moléculas y materiales mediante la realización de experimentos seleccionados por ML utilizando herramientas y técnicas automatizadas. Los científicos utilizan estas instalaciones para la producción de compuestos orgánicos complejos, materiales de película delgaday nanotubos de carbon.17-19

Ventajas y desafíos del uso de Cloud Labs

El principal ventajas de usar laboratorios en la nube son escalabilidad, seguridad, disponibilidad 24 horas al día, 7 días a la semana y automatización de una amplia gama de tareas.20 Debido a que los laboratorios en la nube a menudo incluyen muchos tipos de equipos operados de forma remota, los científicos pueden realizar una gama más amplia de experimentos sin necesidad de experiencia técnica para operar manualmente cada instrumento. Los datos experimentales recién generados se almacenan de forma segura para análisis futuros, y los protocolos experimentales exitosos se pueden guardar, transferir a otras plataformas de trabajo y reutilizar en el futuro.

También existen desafíos al utilizar laboratorios remotos. Por ejemplo, muchas limitaciones de los laboratorios en la nube giran en torno a integridad de datos, protección de datos y seguridad de datos problemas, derivados de la interrupción del servicio, la pérdida de datos y los ataques cibernéticos.21

Otra limitación se centra en los desafíos de financiación en el mundo académico, que impiden la adopción generalizada de la tecnología de la nube. «Creo que muchos de los descubrimientos y avances realmente interesantes que hemos visto provienen de laboratorios realmente grandes o de grupos industriales, porque han tenido la financiación desde hace un tiempo para poder tener un alto rendimiento y automatización en sus laboratorios”, dijo Cortade. Además, los servicios comerciales de laboratorio en la nube suelen ser costosos y conllevan plazos de contrato prolongados, adecuados principalmente para clientes de la industria y no para instituciones académicas. Align to Innovate es una iniciativa reciente que tiene como objetivo abordar este desafío.

Referencias

  1. Publicar LS, et al. Efectos de los laboratorios remotos sobre los resultados del aprendizaje cognitivo, conductual y afectivo en la educación superior. Educación en Computación. 2019;140, 103596.
  2. arnold c. Laboratorios en la nube: donde los robots hacen la investigación. Naturaleza. 2022;606:612-3.
  3. Navale V, Bourne, PE. Aplicaciones de la computación en la nube para la ciencia biomédica: una perspectiva. PLoS Comput Biol. 2018;14(6).
  4. Urbaniec M, et al. El impacto de los avances tecnológicos en el trabajo remoto: perspectivas desde la perspectiva de los directivos polacos. Sostenibilidad. 2022;14(1):552.
  5. Felstead A, Henseke G. Evaluar el crecimiento del trabajo a distancia y sus consecuencias para el esfuerzo, el bienestar y la conciliación. Nuevo empleo tecnológico. 2017;32(3):195-212.
  6. Gao J, et al.. Efectos potencialmente duraderos de la pandemia en los científicos. Comuna Nacional. 2021;12:6188.
  7. Zucchelli P, et al. Solución de automatización basada en la nube altamente versátil para el diseño y ejecución remotos de protocolos experimentales durante la pandemia de COVID-19.. Tecnología SLAS. 2021; 26(2),127-139.
  8. Xu Y, et al. Inteligencia artificial: un poderoso paradigma para la investigación científica. La innovación. 2021;2(4):100179.
  9. Torres-Acosta MA, et al. Operaciones automatizadas de manipulación de líquidos para prácticas de laboratorio de base biológica sólidas, resilientes y eficientes. Biochem Eng J.. 2022;188:108713.
  10. Dettinger P, et al. Robots de pipeteo personales de código abierto con incubación de células vivas y compatibilidad con microscopía. Comuna Nacional. 2022;13:2999.
  11. Rahmani AM, et al. Enfoques y mecanismos de inteligencia artificial para el análisis de big data: un estudio sistemático. PeerJ Ciencias de la Computación. 2021;7.
  12. Estrateos. Conozca la plataforma Strateos. Consultado el 11 de febrero de 2024. https://strateos.com/resources
  13. Laboratorio de Nube Esmeralda. Instrumentación científica. Consultado el 11 de febrero de 2024. https://www.emeraldcloudlab.com/instrumentation/
  14. Arctoris. Mejores datos hoy, mejores medicamentos mañana. Consultado el 11 de febrero de 2024. https://www.arctoris.com/
  15. Hillson N, et al.. Construyendo una alianza global de biofundiciones. Comuna Nacional. 2019;10:2040.
  16. Abolhasani M, Kumacheva E. El auge de los laboratorios autónomos en ciencias químicas y de materiales. Sintetizador Nat. 2023;2:483-92.
  17. Steiner S, et al. Síntesis orgánica en un sistema robótico modular impulsado por un lenguaje de programación química. Ciencia. 2019;363:6423.
  18. MacLeod BP, et al..Laboratorio autónomo para el descubrimiento acelerado de materiales de película fina. Ciencia avanzada. 2020;6:eaaz8867.
  19. Nikolaev P, et al. Descubrimiento de condiciones de crecimiento de nanotubos de carbono selectivos de pared mediante experimentación automatizada. ACS Nano. 2014;8,10,10214–10222.
  20. Holanda I, Davies JA. Automatización en el laboratorio de investigación de ciencias biológicas.. Frente Bioeng Biotechnol. 2020;8,571777.
  21. Soveizi N, et al. Preocupaciones por la seguridad y la privacidad en los flujos de trabajo científicos y empresariales basados ​​en la nube: una revisión sistemática. Sistema informático de generación futura. 2023;148:184-200.