Jegklokken er 01.00 på vestkysten av Amerika, men Emerald Cloud Lab, like sør for San Francisco, er fortsatt opptatt. Her suser mer enn 100 elementer av high-end biovitenskapsutstyr bort på arbeidsbenker stort sett ubemannet, 24 timer i døgnet og syv dager i uken, og utfører eksperimenter for forskere fra hele verden. Jeg “besøker” via kameraet på en telepresence-robot med brysthøyde, og blir kjørt rundt laboratoriet på 1400 kvadratmeter av Emeralds administrerende direktør, Brian Frezza, som også sitter hjemme. Det er ingen egentlige forskere noe sted, bare noen få ansatte i blå frakker følger stille instruksjoner fra skjermene på trallene sine, og sørger for at instrumentene er lastet med reagenser og prøver.
Cloud labs betyr at hvem som helst, hvor som helst, kan utføre eksperimenter med fjernkontroll, uten å bruke mer enn nettleseren. Eksperimenter programmeres gjennom et abonnementsbasert nettgrensesnitt – programvare koordinerer deretter roboter og automatiserte vitenskapelige instrumenter for å utføre eksperimentet og behandle dataene. Fredag kveld er Emeralds travleste tid i uken, da forskere planlegger at eksperimenter skal kjøres mens de slapper av med familiene sine over helgen.
Det er fortsatt noen ting roboter ikke kan gjøre, for eksempel å løfte gigantiske carboys (beholdere for væsker) eller pakke ut prøver sendt med post, og det er noen få instrumenter som bare ikke kan automatiseres. Derav menneskene i blå frakker, som ser litt ut som plukkere i et Amazon-lager. Det viser seg at de faktisk stort sett er tidligere Amazon-ansatte.
Emerald ansatte opprinnelig forskere og laboratorieteknikere for å hjelpe anlegget til å fungere problemfritt, men de ble kreativt kvalt med så lite å gjøre. Krypskyting av Amazon-ansatte har vist seg å være en forbedring. “Vi betaler dem det dobbelte av det de fikk hos Amazon for å gjøre noe mer tilfredsstillende enn å stappe toalettpapir i bokser,” sier Frezza. “Du holder noens narkotikaoppdagelseseksperiment i gang i full fart.”
Lenger sør i San Francisco Bay Area ligger ytterligere to skylaboratorier, drevet av selskapet Strateos. Stativ med skinnende life science-instrumenter – inkubatorer, miksere, massespektrometre, PCR-maskiner – sitter og nynner inne i store Perspex-bokser kjent som arbeidsceller. Oppsettet er uten tvil enda mer futuristisk enn på Emerald. Her suser reagenser og prøver til riktig arbeidscelle på høyteknologiske magnetiske transportbånd og lastes forsiktig på plass av fingerfärdige robotarmer. Forskernes eksperimenter er «delokalisert», som Strateos sin administrerende direktør for operasjoner, Marc Siladi, sier det.
Automatisering i vitenskapen er ikke noe nytt, spesielt på felt som molekylærbiologi, der mye av det eksperimentelle arbeidet involverer møysommelig og repeterende overføring av små mengder væske fra ett hetteglass til et annet. Forstyrrelsen forårsaket av pandemien oppmuntret også en rekke spesialistfasiliteter til å utvikle måter å fjernstyre utstyret deres på. (Bjelkene til Storbritannias kraftige Diamant lyskildefor eksempel, en partikkelakselerator som genererer ultrahøy energistråling for å undersøke materie, kan nå betjenes av brukere fra hvor som helst i verden.) Og å outsource vanskelige eller tidkrevende elementer i den eksperimentelle prosessen er heller ikke nytt.
Men Emerald og Strateos er forskjellige – dette er verdens første laboratorier som i teorien lar alle med en bærbar PC og kredittkort “betale og spille” med hele reagensbeholdningen og pakken med instrumenter tilgjengelig i et forskningsanlegg i verdensklasse. Appellen til denne tilnærmingen ble åpenbar under pandemien, da mange forskere ikke var i stand til å besøke sine egne laboratorier personlig; grunnleggerne av cloud labs sier at dette er fremtiden for livsvitenskap.
Den mest åpenbare fordelen er produktivitet: forskere kan utføre flere eksperimenter samtidig og sette dem i kø for å kjøre over natten eller mens de gjør andre ting. “Våre pro-brukere, de vil gjøre arbeidet til 10 forskere i et tradisjonelt laboratorium,” sier Frezza. “De vil gi latterlige tall.”
Det er ingen tid brukt på å sette opp og rive ned utstyr, rydde opp, vedlikeholde og fikse instrumenter eller etterfylle lager. Arctoris, et fjernstyrt legemiddeloppdagelseslaboratorium i Oxfordshire, sier at plattformen deres har fullført prosjekter for farmasøytiske selskaper på 24 timer som kan ta minst en uke i tradisjonelle omgivelser. I stedet for å pipettere i timevis hver dag, kan forskere bruke mer tid på å tenke, lese og analysere resultater sammen med kolleger.
Forskere ved Pittsburghs Carnegie Mellon University var så imponert over hva ansatte og studenter kunne gjøre ved Emerald Cloud Lab – en forsker klarte å gjenskape år med doktorgradseksperimentering i løpet av noen uker – at de nylig ba selskapet bygge en ny, bare for dem.
Med ett års tilgang til et skylaboratorium som ofte koster mindre enn prisen på et enkelt stykke avansert laboratorieutstyr, sier dekanen ved Carnegie Mellons vitenskapelige høyskole, Rebecca Doerge, at modellen kan være transformerende. «Jeg er ikke interessert i bare å endre vitenskapen ved Carnegie Mellon. Jeg er interessert i å endre vitenskapsprosessen over hele verden, sier hun om det nye anlegget i Pittsburgh. “Vi har alle kolleger på steder med lite ressurser som ikke kan gjøre vitenskapen de er i stand til bare fordi de ikke har nok penger. Så med en internettforbindelse og tilgang til et skylaboratorium, er dette en gamechanger.»
Doerge, en statistiker som ble vitenskapsadministrator, er også begeistret for å fjerne variasjon og menneskelige feil fra eksperimentelt arbeid. Det vil ikke være noen forskere basert på den nye 1500 kvadratmeter store tomten, bare et halvt dusin teknikere som hjelper stedet å kjøre 24 timer i døgnet. «Folk går fortsatt til våte laboratorier, og de står der fortsatt og gjør feil. Jeg tror ikke at alt er automaterbart i vitenskapen, jeg sier ikke det. Jeg sier bare at de repeterende tingene, når du først har lært det, trenger du ikke å stå der og gjøre det om og om igjen og om igjen.»
Forskere som Doerge tror presisjonen til fjernstyrte laboratorier kan bidra til å fikse det som har blitt kjent som vitenskapens “reproduserbarhetskrise” – den bekymringsfulle avsløringen om at resultatene av hauger av publisert forskning ikke kan replikeres når forskjellige grupper av forskere følger de samme metodene nøyaktig. Å plugge et eksperiment inn i en nettleser som skal utføres av roboter, tvinger forskere til å oversette de nøyaktige detaljene i hvert trinn til entydig kode. For eksempel, det som en gang kan ha blitt beskrevet i en vitenskapelig artikkel som “bland prøvene” blir detaljerte datamaskininstruksjoner for en bestemt maskin for å blande med et visst antall omdreininger i minuttet i en viss tid. Andre faktorer som kan påvirke resultatet, for eksempel omgivelsestemperaturen på det tidspunktet, fanges opp i metadataene.
Ettersom Doerge har oppmuntret mer og mer forskning – og til og med undervisning – ved Carnegie Mellon for å bli overført til de eksterne laboratoriene, har ikke alle hennes kolleger vært støttende. Mange forskere tror at det å jobbe sammen med kolleger ved benken og synet og lyden av eksperimentering er det som bidrar til å generere spennende ideer og lykkelige ulykker. Andre er bekymret for kvaliteten på data produsert i laboratorier de aldri har satt sine ben i. «’Hvis jeg ikke ser det med mine egne øyne, eksisterer det ikke’ – jeg har hørt det fra noen av seniorene fakultetsmedlemmer, sier Doerge. “Det er definitivt et tankesettskifte.”
Noen eksperter mener at det å gjøre tilgang til sofistikerte laboratorier så enkelt er en potensiell trussel om biosikkerhet eller bioterrorisme. I teorien kan små grupper eller til og med enkeltpersoner uten forskningserfaring bruke et skylaboratorium for å begynne å utføre komplekse biologiske eksperimenter. “Laboratoriene sier at de bare jobber med pålitelige partnere, men selvfølgelig er de veldig opptatt av å åpne markedet sitt,” sier Dr Filippa Lentzos, ekspert på biologisk risiko og biosikkerhet ved King’s College London. “Selv om vi må huske at de fleste kommer fra et bra sted, er det noen ganske gale mennesker der ute også. Barrierer kommer definitivt ned hvis du vil bevisst gjøre noe skadelig.”
Cloud labs sier at de gjennomgår alle planlagte eksperimenter og har systemer for å flagge eller avvise alle som virker ulovlige eller farlige. I tillegg, hevder de, gjør den fullstendige digitaliseringen av alt som skjer i laboratoriet det faktisk enklere å registrere og overvåke hva folk gjør enn i et tradisjonelt laboratorium.
Paul Freemont, medgründer av UK Innovation and Knowledge Centre for Synthetic Biology, har bidratt til å utvikle flere høyautomatiserte laboratorier i Storbritannia, inkludert en robotplattform som var i stand til å gjennomføre mer enn 1000 Covid-tester om dagen tidlig i pandemien. Han er ikke sikker på at fjernstyrte laboratorier ennå er “modne” nok til å gjenskape det som er tilgjengelig for forskere som setter opp sitt eget automatiserte utstyr. “Jeg liker konseptet og tror dette er veien vitenskapen kommer til å gå. Det ville fungere hvis vi hadde alle nødvendige protokoller og arbeidsflyter som en biolog kan trenge, men jeg tror det ikke er tilgjengelig for det kompleksitets- og detaljnivået man trenger for øyeblikket.»
Freemont har også bekymringer om at forskere ikke virkelig forstår eller engasjerer seg i programvaren eller maskinvaren som genererer dataene deres. “Du må ha den neste generasjonen av forskere til å forstå hvordan man bygger all denne infrastrukturen selv og hvordan man jobber med den – du må ha litt praktisk erfaring, helt klart. Potensialet for noen få laboratorier eller store private selskaper til å monopolisere denne forståelsen – jeg tror ikke ville vært særlig sunt.»
Til tross for disse bekymringene vokser appetitten for skyvitenskap. Emerald utvider kapasiteten for å holde tritt med etterspørselen, hovedsakelig fra farmasøytiske selskaper og bioteknologiske startups. Strateos samarbeider med det amerikanske forskningsbyrået Darpa for å studere i detalj hvordan fasilitetene deres kan forbedre reproduserbarheten og effektiviteten til tidligere eksperimenter, og selskapet lisensierer også programvaren slik at andre institusjoner kan konvertere fasilitetene deres.
I fremtiden kan skylaboratorier til og med bestemme hvilke eksperimenter de skal gjøre selv. Som Googles DeepMind-plattform har nylig bevist, kan maskinlæringsverktøy nå sluke tiår med data og spytte ut svar på spørsmål som det vil ta forskere mange år å løse med fysisk undersøkelse. Farmasøytiske selskaper bruker i økende grad disse verktøyene for å simulere molekylære interaksjoner i deres søken etter nye legemidler. Data generert gjennom skylaboratorier – som oversetter biologi til en informasjonsteknologi – vil bare gjøre disse verktøyene kraftigere. Å kombinere alle disse teknologiene kan en dag føre til systemer som kan utvikle teorier og fysisk teste dem uten menneskelig innsats.
Allerede har noen avanserte Emerald Cloud Lab-brukere utviklet algoritmer som justerer parametrene eller retningen til neste eksperiment basert på deres egen dataanalyse. “Det er litt ville ting, veldig futuristisk,” sier Frezza.
Alt dette betyr at forskere er det siste yrket som spør hva utviklingen mot automatisering og AI betyr for fremtiden. Kan mer tradisjonelle forskere en dag finne seg selv uten jobb? Det er usannsynlig – når alt kommer til alt, vil vi alltid trenge at folk prioriterer hvilke spørsmål som må besvares og utvikler nye måter å besvare dem på. Men dagene med å sitte ved en benk i hvit frakk og hansker ved siden av flammen til en bunsenbrenner kan snart være en saga blott – robotforskerens epoke kommer.