Kendin Yap Teknolojileri Bilimi Nasıl Demokratikleştiriyor?

Açık bilim ve 3D baskı, araştırmacıların kendin yap laboratuvar araçlarını benimsemesini her zamankinden daha kolay hale getiriyor.

• Sandeep Ravindran

Gözlerini mikroskobunun altındaki hücrelere çeviren Gustavo Batista Menezes'in aklında bilimden çok daha fazlası vardı.

Menezes, Kanada'daki Calgary Üniversitesi'nde yaklaşık bir milyon dolara mal olan özel bir konfokal mikroskop kullanıyordu ve kendi laboratuvarını kurmak için Brezilya'ya döndüğünde bir tanesini nasıl karşılayabileceğine dair hiçbir fikri yoktu. Menezes, “Düşük gelirli ülkelerde bu kadar paraya sahip olmak neredeyse imkânsız” diyor. Bu nedenle, 2009 yılında Belo Horizonte'deki Federal Minas Gerais Üniversitesi'nde bir pozisyon aldığında, süslü bir ticari araç satın almamayı tercih etti; kendi jürisine hile karıştırdı.

Menezes, canlı farelerdeki hücreleri görselleştirmek için mikroskopi kullanır. Bu 'intravital' görüntülemeyi yapmak için mevcut mikroskopları değiştirmek tipik olarak 5.000–10.000 ABD Doları'na mal olur. Ancak Menezes daha ucuz bir yol buldu: meslektaşlarıyla fon topladı ve yerel bir hırdavatçıdan ucuz, çıplak kemikli bir konfokal mikroskop, 1 dolarlık pleksiglas sahne ve 2 dolarlık kızılötesi lamba satın aldı. "Mikroskop laboratuvarıma kurulduktan on iki dakika sonra" diyor ve ilk in vivo görüntülerini üretti . Hepatology dergisine iki kez kapak olacak kadar iyi görüntüler üretmeye devam edecekti.

İngiltere, Brighton yakınlarındaki Sussex Üniversitesi'nden sinir bilimci Tom Baden, "Bilim adamlarının kendi ekipmanlarını inşa etmeleri fikri bilim kadar eskidir" diyor . Afrika'da Geliştirme (TReND) , diğer şeylerin yanı sıra açık bilim donanımında eğitim sağlar. Yeni olan, çok çeşitli ücretsiz açık kaynaklı tasarımların çevrimiçi olarak bulunması ve bunları 3D yazıcılar ve Arduino ve Raspberry Pi gibi hobi elektroniği kullanarak oluşturmanın artan kolaylığı. Açık kaynaklı reaktiflerle birleştiğinde bu kaynaklar, eğitimli teknisyenler, soğuk depolama ve güvenilir güçten yoksun, kaynakların yetersiz olduğu bölgelerde bile gelişmiş tanılamayı erişilebilir hale getiriyor.

Kendi cihazlarınızı oluşturmak ve kendi reaktiflerinizi sentezlemek zaman alıcı ve emek yoğun olabilir. Ticari alternatiflerden daha titiz ve daha az güvenilir olan malzemeler sağlayabilir. Ve teknik destek söz konusu olduğunda kendi başınızasınız. Yine de, bunu sürdürmek isteyenler için sonuç dönüştürücü olabilir. Menezes, düşük maliyetli tasarımını 1 , profesörlerin daha önce hiç konfokal mikroskop kullanmadığını söylediği, ülkenin en fakir bölgeleri de dahil olmak üzere Brezilya'nın her yerindeki laboratuvarlarla paylaştı. “Bu teknolojiler, araştırma yapmak isteyen herkesin kullanımına açık olmalıdır” diyor.

Bilimi demokratikleştirmek

Bazı araştırmacılar için, kendin yap araştırmasının cazibesi DIY'in kendisidir: ısmarlama ekipman inşa etmek ve bakımını yapmak, mühendislik ve teknik bir zorluktur. Ama diğerleri için bu mali bir mesele. Ev yapımı ekipman, ticari alternatiflerden önemli ölçüde daha ucuz ve dolayısıyla daha erişilebilir olma eğilimindedir.

Kamerun, Yaoundé'de açık bilim için eğitim ve kaynak sağlayan ortak çalışma alanı MboaLab'ın kurucusu Thomas Mboa, Yaoundé I Üniversitesi'nde moleküler biyoloji okurken bir mikroskoba bile dokunmadığını hatırlıyor. Sadece teorik bilgiye sahipti ve o zaman bize verdikleri açıklama ekipmanın çok pahalı olduğuydu” diyor. "Açık bilim ve DIY biyolojisi, Afrika'da karşı karşıya olduğumuz teknolojik boşluğu düzeltebilir."

Laboratuvarınızı otomatikleştirmek için kendin yap yaklaşımı

Araştırmacılar, serbestçe temin edilebilen tasarımları kullanarak, DNA'yı çoğaltmak için pipetler ve inkübatörlerden polimeraz zincir reaksiyonu (PCR) makinelerine kadar her şeyi yapabilirler. Houghton'daki Michigan Teknoloji Üniversitesi'nde bilimde açık kaynaklı donanım oluşturma hakkında bir kitap yazan bir malzeme mühendisi olan Joshua Pearce, kendi laboratuvar ekipmanını yaparak yüz binlerce dolar tasarruf ettiğini tahmin ediyor. “Temelde artık bir şeyler satın almıyoruz” diyor. Pearce, açık kaynaklı tasarımlardan inşa edilen donanımın genellikle ticari muadillerinin fiyatının yalnızca %1-10'una mal olduğunu ve web sitesi Open-Source Lab'de birçok tasarımın küratörlüğünü yaptığını söylüyor.

Sussex Üniversitesi'nden araştırma biyomühendisi Andre Maia Chagas, "Donanım, bilim gerçekten daha yaygın hale gelmeden önce aşmamız gereken son engeldir" diyor. Chagas, insanların projelerini paylaşmak için kullanabilecekleri Open Neuroscience adlı bir veritabanı başlattı ve Afrika'daki TReND'e tavsiyelerde bulundu. Açık donanım, diyor, Hindistan, Brezilya gibi yerlerde ve Afrika genelinde araştırmaları demokratikleştirmeye yardımcı olabilir. "Artık tüm bu ülkelerdeki gruplar kendileri bir şeyler inşa edebilir ve kendilerini aynı oyun alanına getirebilirler" diyor.

Fernan Federici buna bir örnek. Santiago'daki Şili Katolik Üniversitesi'nde moleküler biyolog olan Federici, 25.000 $ veya daha fazla bir fiyata hazır bir floresan mikroskop satın almak yerine, sadece 250 $ karşılığında kendi 3D baskısını yaptı. Bir marka enstrümanın yapabileceği her şeyi yapamaz, ancak yeterince yapar. "Belirli bir uygulamaya ihtiyacımız vardı - bakteri büyümesinin floresan hızlandırılmış sürelerini elde etmek - ve bunu açık donanımla yapabilirdik" diyor.

Kendin Yap donanımının bir başka avantajı da özelleştirilebilirliktir. 3D yazdırılabilir OpenFlexure mikroskobu 2Örneğin, İngiltere'deki Bath Üniversitesi'nde fizikçi olan Richard Bowman, "Şu anda pahalı bir ticari mikroskop satın alan ve ardından optiği özelleştirmek için bir keski alan Birleşik Krallık'taki laboratuvarlar için tasarlandı" diyor. Proje dijital kameralı, motorlu numune tablalı ve odak kontrollü tam otomatik laboratuvar sınıfı OpenFlexure mikroskobu 200 £ (262 ABD Doları) kadar düşük bir maliyete sahip olabilir. Araştırmacılar, temel tasarımı süper çözünürlüklü mikroskopi gibi uygulamalar için uygun optik ve lazerlerle özelleştirdiler, ancak düşük maliyet ve güç gereksinimleri ve mikroskobun uygun taşınabilirliği, onu Tanzanya'nın kaynak açısından fakir bölgelerinde çok değerli hale getirdi. Sıtmayı teşhis etmek için kullanılır.

Kendi ekipmanınızı oluşturmak, bir şey bozulduğunda garanti ve teknik destek olmadan yapmak anlamına gelir. Ama bu aslında bir avantaj olabilir. Menezes genellikle kendi ekipmanını tamir etmenin daha iyi olduğunu söylüyor: bakım sözleşmeleri pahalıdır ve bir teknisyenin ortaya çıkması aylar alabilir. Benzer şekilde Bowman, "Tanzanya'da OpenFlexure mikroskobu kurarak, bozulduğunda, onu tamir edebilecek yerel birinin olmasını sağlıyoruz" diyor.

DIY reaktifler

İngiltere, Cambridge Üniversitesi'nde biyoteknoloji uzmanı olan Jenny Molloy, araştırma için başka bir finansal engeli ele almak için çalışıyor. Reaktiflerin kaynak açısından fakir bölgelerde moleküler biyoloji araştırmaları için genellikle önemli bir engel teşkil ettiğini kabul eden Molloy, biyoteknoloji için açık kaynaklı araçlar geliştiren disiplinler arası bir grup olan Açık Biyoekonomi Laboratuvarı'nı kurdu. 2017 yılından bu yana, Açık Enzim Koleksiyonunda polimerazlar, ligazlar, ters transkriptazlar, kısıtlama enzimleri ve floresan proteinler dahil olmak üzere 84 açık kaynaklı enzim ve 45 raportör geni derlemiştir. “Kendi enziminizi üreterek bir enzimin maliyetinden en az %80-90 tasarruf edebileceğinizi tahmin ediyoruz” diyor.

Araştırmacılar, ifade vektörlerine klonlamak ve bakterilerde kendi enzimlerini üretmek için ifade etmek için DNA bileşenleri olarak FreeGenes çevrimiçi kataloğundan Açık Enzim Koleksiyonu'ndaki araştırma dereceli reaktifleri sipariş edebilirler. Molloy şimdi, kar amacı gütmeyen Addgene deposu aracılığıyla dağıtabileceği eksprese etmeye hazır plazmitler geliştiriyor. Ayrıca, planlama aşamasında diğer ülkelerdeki işbirlikleri ile Yaoundé merkezli kar amacı gütmeyen kuruluş Beneficial Bio aracılığıyla Kamerun'da düşük maliyetli, kullanıma hazır enzimler üretmek ve satmak için Mboa ile birlikte çalışıyor.

Afrikalı bilim adamları açık donanımdan yararlanıyor

Molloy, çoğu durumda, Açık Enzim Koleksiyonunun, araştırmacıların başka türlü karşılayabileceğinden daha iyi reaktiflere erişim sağladığını söylüyor. Örneğin, Taq polimeraz enzimi, PCR için en iyi olduğu için değil, ucuz olduğu için popüler bir seçimdir, diyor. "Dakikadaki kilit taşı enzimimiz OpenVent'tir ve Taq'tan çok daha termostabil ve sağlamdır ve beş kat daha yüksek sadakate sahiptir."

Bununla birlikte, kendi reaktiflerini DIY yapmayı seçen laboratuvarların, kendi enzim ekspresyonlarını, saflaştırmalarını ve testlerini yapmaya hazır olmaları gerekir. Afrika ve Güney Amerika'da planlanan diğerleriyle birlikte Gana ve Etiyopya'da açık enzim üretim kursları yürüten Molloy, Açık Biyoekonomi Laboratuvarı'nın enzim aktivitesini ve saflığını test etmek için takip edilmesi kolay protokoller sağlayabileceğini söylüyor. Grup, istenen enzimleri üreten hücreleri büyütmek için açık kaynaklı bir biyoreaktör geliştiriyor. Ancak, “Eğer bir protein uzmanı değilseniz, size yardımcı olabilecek diğer biyologlara mutlaka ulaşın” diyor.

Uygun fiyatlı teşhis

Kendin-yap reaktifleri ayrıca bazı moleküler teşhislerin maliyetini de azaltabilir ve Molloy, kaynakların yetersiz olduğu bölgelerde sağlık hizmetlerine uygulanabilecek bir dizi enzimi küratörlüğünü yaptı. Yine de DIY teşhisi özel hususlar gerektiriyor, diyor. Cihazlar ve reaktifler, daha yüksek standartları karşılamalı ve sıkı yönetmeliklere uymalı, aynı zamanda bir sağlık hizmeti ortamında daha sağlam ve kullanımı kolay olmalıdır.

Örneğin, Tanzanya'daki sıtmayı teşhis etmek için OpenFlexure mikroskobu kullanmak için Bowman'ın laboratuvar kurulumundan gevşek bir şekilde saçılmış elektronik kartları ve kabloları alması ve bunları kullanıcı dostu bir pakette sunması gerekiyordu. “Bu tür çıplak donanımlarla uğraşmaya alıştığımız laboratuvarımda çalışan bir şeyden parazitoloji teknisyenlerini korkutmayan bir şeye geçmek oldukça büyük bir adım” diyor.

Yeni Delhi'deki Genomik ve Bütünleştirici Biyoloji Enstitüsü'nde bir RNA biyolojisi grubuna başkanlık eden Debojyoti Chakraborty, aynı şeyin moleküler tahliller için de geçerli olduğunu söylüyor. Chakraborty ve meslektaşı Souvik Maiti, Hindistan'ın kırsal kesimlerinde orak hücre hastalığının taşıyıcılarını belirlemek için ucuz, taşınabilir bir kağıt şerit testi geliştirdi. “İşler basit olmalı; sağlam olmaları gerekir ve yeniden üretilebilir olmaları gerekiyor” diyor. Örneğin, küçük çocuklardan kan örnekleri almanın az miktarda ikna gerektirmeyeceğini fark eden çift, bunun yerine tükürükten DNA kullanmak için protokoller geliştirdi.

Bu uyarlanabilirlik, araştırmacıların 2020'nin başlarında SARS-CoV-2'yi test etmek için teşhislerini hızla yeniden kullanmalarına yardımcı oldu. Elde edilen 3 ^, 4 tahlilinin sadece 600 rupiye (8 ABD Doları) mal olması bekleniyor ve normal bir PCR ile herhangi bir laboratuvarda gerçekleştirilebilir. Sadece uzman enstitülerin üstesinden gelebileceği tipik ileri test için 2.500-4.000 rupi ile karşılaştırıldığında.

Benzer şekilde, Bangalore'deki Hindistan Bilim Enstitüsü'nde doktora öğrencisi olan Navjot Kaur, tüberküloz için düşük maliyetli, bakım noktası tanı testi 5 geliştirdiğinde, bunun eğitimli teknisyenleri olmayan uzak köylerde erişilebilir olması gerektiğini biliyordu. Güvenilir güçten bahsetmiyorum bile. Bu nedenle, sabit bir sıcaklıkta çalışan ve buzdolapları ve dondurucuların yokluğunda testin kararlılığını artırmak için çalışan bir alternatif lehine PCR'nin termal döngüsünden kaçındı. “Sadece sahaya çıktığınızda, fantezi teknolojinizi tamamen öldürebilecek tüm bu küçük şeylerin farkına varıyorsunuz” diyor.

Artık kolayca erişilebilen bu kadar çok teknolojiyle, DIY cihazlarının daha geniş çapta benimsenmesinin önündeki en büyük engel aslında psikolojik olabilir. Londra'daki Francis Crick Enstitüsü'nden Lucia Prieto-Godino, “Çoğu zaman bilimin çok süslü olması gerektiği algısı vardır” diyor. Baden ve Sadiq Yusuf ile birlikte kurduğu, Afrika'da TReND tarafından yürütülen açık donanım atölyelerinde bu fikri ortadan kaldırmaya çalışıyor - ancak kendin yap projelerinin yeni başlayanlar için göz korkutucu olabileceğini kabul ediyor.

Chagas, küçük ve laboratuvarın gerçekten ihtiyaç duyduğu bir şeyle başlayın. Açık bilim donanım tasarımları, ABD Ulusal Sağlık Enstitüleri 3D Baskı Değişimi ve Halk Bilim Kütüphanesi Açık Kaynak Araç Setinde çevrimiçi olarak kolayca bulunabilir.

Ayrıca, ister çevrimiçi ister Açık Bilim Donanımı için Gathering (GOSH) ve Afrika Açık Bilim ve Donanım ağı (AfricaOSH) gibi sitelerde, ister üniversitenizin mühendislik departmanı aracılığıyla veya Makerspaces ve FabLabs gibi yerel açık donanım topluluklarında olsun, yardıma kolayca erişilebilir. . Federici, bu tür kaynakların beceri ve bilgi boşluklarını hızla kapatabileceğini söylüyor. “Floresan, mühendislik veya elektronik gibi bu konularda uzman olmadan floresan araştırması yapmamıza yardımcı olacak bir cihazı bir araya getirebiliyoruz” diyor.

3D devrim

Birçok proje, DIY bilimini dönüştüren 3D baskı gerektirir. Masvingo'daki Great Zimbabwe Üniversitesi'nde araştırma ve yenilik direktörü Jephias Gwamuri, “Bir şey hayal edebiliyorsanız, garajınıza gidip onu yazdırmaya başlamanız çok güçlendirici” diyor. COVID-19 salgını sırasında düşük maliyetli yüz siperleri, kişisel koruyucu ekipman ve ventilatör parçaları basmak için 3D yazıcılar kullanıyor.

Makul 3D yazıcılar artık 250 $ gibi düşük bir fiyata satılıyor ve genellikle önceden monte edilmiş olarak geliyor. Bununla birlikte, PCR cihazlarında olduğu gibi, 3D yazıcılara sınırlı erişim ve bunları çalıştırmak için güvenilir elektrik eksikliği, DIY biliminin önündeki engeller olmaya devam ediyor.

Gwamuri, uzak bölgelere taşınmak üzere bir spor çantasına sığacak kadar küçük, güneş enerjili 3D yazıcılar tasarlayarak güç sorununu çözmeye çalışıyor. O ve Pearce, 3D yazıcılarda kullanılan filamentin maliyetini azaltmak için de çalıştı. Ticari filamentin fiyatı kilogram başına 20 dolar, ancak Gwamuri, geri dönüştürülmüş plastik atıklardan kilogram başına sadece 1-4 dolara mal olan filament yapmanın bir yolunu buldu.

Araştırmacılar ayrıca, örneğin eski veya bozuk mikroskoplardan elde edilen laboratuvar ekipmanlarını geri dönüştürerek maliyetleri azaltabilirler. Bowman, “Yeniden kullanılabilecek en olası bileşen, aynı zamanda en pahalı ve kaynağı zor parçalardan biri olan objektif lenstir” diyor. Menezes, çöpten çıkardığı bir ultraviyole aydınlatıcıdan ve telefon kamerası için deliği olan bir siyah pleksiglastan, normalde maliyeti 3.000-5.000 dolar olan bir cihaz olan 5 dolarlık kendi jel görüntüleyicisini yaptı.

Bu tür bir ekonomi, kısıtlı bütçeleri uzatabilir, ancak kendin yap donanımı, güvenilir, tekrarlanabilir veriler üretemezse pek işe yaramaz. Bowman, “Raspberry Pi kamerayı kullanmamızın nedeni, bilinen bir miktar olmasıdır” diyor. "Ucuz bir web kamerasını yeniden kullanmak da mümkün olabilir, ancak her web kamerası biraz farklıdır, bu nedenle tutarlılığı kaybedersiniz."

Berlin'deki Einstein Nörobilim Merkezi'nde nörobilim doktora öğrencisi olan ve kendi donanımını geliştiren Victor Kumbol, “Açık donanımın araştırmalarda ana akım haline gelmesini gördüğüm zorluklardan biri bu, çünkü ekipmanın kalitesi elde ettiğiniz verileri etkiliyor” diyor. Gana, Kumasi'deki Kwame Nkrumah Bilim ve Teknoloji Üniversitesi'nde yüksek lisans araştırması sırasında hayvan aktivitesini ölçmek için cihaz 6 .

Kumbol'un tasarımını yayınladığı HardwareX veya Journal of Open Hardware gibi hakemli dergilerde yayınlanmış tasarımları arayın. Ve yapım, kalibrasyon ve bakım için iyi belgelere sahip cihazları seçin. Örneğin geçtiğimiz birkaç ay içinde Bowman, OpenFlexure mikroskop yazılımına kullanıcıları temel kalibrasyon adımlarında yönlendiren bir araç ekledi.

Ancak bazen, DIY sadece iyi bir seçenek değildir. Baden, "Aletinizin belirli bir görev için ne kadar hassas olması gerektiğini bilmeniz gerekir" diyor. Örneğin, son teknoloji moleküler biyoloji araştırmaları yapan bir laboratuvar, muhtemelen doğruluk pahasına pipetlerden tasarruf etmek istemeyecektir, diyor. Ancak, birkaç mikrolitreyi işlemek için hassas bir şekilde kalibre edilmiş ticari pipetler satın alarak ve daha büyük hacimler için daha az hassas 3D baskılı pipetler kullanarak maliyetleri ve doğruluğu dengeleyebilir.

Laboratuvarlar, araştırma önceliklerine, DIY deneyimlerine ve bütçelerine göre bu ödünleşimleri yönlendirmek zorunda kalacaklar. Ancak DIY donanımının erişilebilirliği ve karmaşıklığı arttıkça, alımı da artacaktır. Chagas, "Bu, birçok ilginç olasılığın kapısını açacak" diyor.

Referanslar

1. Marques, P. et al. Nature Protoc. 10, 258–268 (2015).

2. Collins, J. T. et al. Biomed. Opt. Express 11, 2447–2460 (2020).

3. Azhar, M. et al. Preprint at bioRxiv https://doi.org/10.1101/2020.04.07.028167 (2020).

4. Azhar, M. et al. Preprint at medRxiv https://doi.org/10.1101/2020.09.13.20193581 (2020).

5. Kaur, N. et al. Sci. Rep. 9, 15367 (2019).

6. Kumbol, V. W. et al. HardwareX 4, e00047 (2018).