ichEs ist 1 Uhr morgens an der Westküste Amerikas, aber im Emerald Cloud Lab südlich von San Francisco ist immer noch viel los. Hier wirbeln mehr als 100 biowissenschaftliche High-End-Geräte auf weitgehend unbemannten Werkbänken 24 Stunden am Tag und sieben Tage die Woche herum und führen Experimente für Forscher aus aller Welt durch. Ich „besuche“ über die Kamera eines brusthohen Telepräsenzroboters und werde von Emeralds CEO Brian Frezza, der ebenfalls zu Hause sitzt, durch das 1.400 Quadratmeter große Labor gefahren. Es gibt nirgendwo echte Wissenschaftler, nur ein paar Mitarbeiter in blauen Kitteln, die leise den Anweisungen von Bildschirmen auf ihren Wagen folgen und sicherstellen, dass die Instrumente mit Reagenzien und Proben beladen werden.
Cloud-Labs bedeuten, dass jeder und überall Experimente per Fernsteuerung durchführen kann, indem er nichts weiter als seinen Webbrowser verwendet. Experimente werden über eine abonnementbasierte Online-Schnittstelle programmiert – Software koordiniert dann Roboter und automatisierte wissenschaftliche Instrumente, um das Experiment durchzuführen und die Daten zu verarbeiten. Freitagabend ist Emeralds geschäftigste Zeit der Woche, da Wissenschaftler Experimente planen, die durchgeführt werden sollen, während sie sich über das Wochenende mit ihren Familien entspannen.
Es gibt immer noch einiges, was Roboter nicht können, zum Beispiel das Heben riesiger Carboys (Flüssigkeitsbehälter) oder das Auspacken von Proben, die per Post verschickt werden, und es gibt einige Instrumente, die sich einfach nicht automatisieren lassen. Daher die Menschen in blauen Kitteln, die ein bisschen wie Kommissionierer in einem Amazon-Lagerhaus aussehen. Es stellt sich heraus, dass es sich tatsächlich größtenteils um ehemalige Amazon-Mitarbeiter handelt.
Emerald beschäftigte ursprünglich Wissenschaftler und Labortechniker, um den reibungslosen Betrieb der Anlage zu unterstützen, aber sie wurden durch so wenig zu tun in ihrer Kreativität ausgebremst. Das Abwerben von Amazon-Mitarbeitern hat sich als Verbesserung herausgestellt. „Wir zahlen ihnen das Doppelte von dem, was sie bei Amazon bekommen haben, um etwas viel Erfüllenderes zu tun, als Toilettenpapier in Kartons zu stopfen“, sagt Frezza. “Sie halten das Drogenexperiment von jemandem auf Hochtouren.”
Weiter südlich in der San Francisco Bay Area befinden sich zwei weitere Cloud Labs, die von der Firma Strateos betrieben werden. Regale mit glänzenden Life-Science-Instrumenten – Inkubatoren, Mischer, Massenspektrometer, PCR-Maschinen – brummen in großen Plexiglasboxen, die als Arbeitszellen bekannt sind. Das Setup ist wohl noch futuristischer als bei Emerald. Hier sausen Reagenzien und Proben auf Hi-Tech-Magnetförderbändern zur richtigen Arbeitszelle und werden von geschickten Roboterarmen sanft an ihren Platz geladen. Die Experimente der Forscher werden „delokalisiert“, wie Strateos’ Executive Director of Operations, Marc Siladi, es ausdrückt.
Automatisierung in der Wissenschaft ist nichts Neues, insbesondere in Bereichen wie der Molekularbiologie, wo ein Großteil der experimentellen Arbeit das mühsame und wiederholte Übertragen winziger Flüssigkeitsmengen von einem Fläschchen in ein anderes beinhaltet. Die durch die Pandemie verursachte Unterbrechung ermutigte auch eine Reihe spezialisierter Einrichtungen, Möglichkeiten zu entwickeln, ihre Geräte aus der Ferne zu bedienen. (Die Strahlen der leistungsstarken Diamond Light Source in Großbritannien, zum Beispiel, einem Teilchenbeschleuniger, der ultrahochenergetische Strahlung zur Untersuchung von Materie erzeugt, können jetzt von Benutzern von überall auf der Welt betrieben werden.) Und die Auslagerung schwieriger oder zeitaufwändiger Elemente von Auch das experimentelle Verfahren ist nicht neu.
Aber Emerald und Strateos sind anders – dies sind die weltweit ersten Labors, die es theoretisch jedem mit einem Laptop und einer Kreditkarte ermöglichen, mit dem gesamten Reagenzbestand und der Instrumentenausstattung einer Weltklasse-Forschungseinrichtung zu „bezahlen und zu spielen“. Der Reiz dieses Ansatzes wurde während der Pandemie deutlich, als viele Forscher ihre eigenen Labore nicht persönlich besuchen konnten; die gründer von cloud labs sagen, dass dies die zukunft der lebenswissenschaften ist.
Der offensichtlichste Vorteil ist die Produktivität: Forscher können mehrere Experimente gleichzeitig durchführen und sie in eine Warteschlange stellen, um sie über Nacht oder während sie andere Dinge erledigen. „Unsere Pro-User erledigen die Arbeit von 10 Wissenschaftlern in einem traditionellen Labor“, sagt Frezza. “Sie werden lächerliche Zahlen aufdrehen.”
Es wird keine Zeit für das Auf- und Abbauen von Geräten, das Aufräumen, Warten und Reparieren von Instrumenten oder das Auffüllen von Lagerbeständen aufgewendet. Arctoris, ein ferngesteuertes Arzneimittelforschungslabor in Oxfordshire, sagt, seine Plattform habe Projekte für Pharmaunternehmen in 24 Stunden abgeschlossen, die in einem traditionellen Umfeld mindestens eine Woche dauern könnten. Anstatt jeden Tag stundenlang zu pipettieren, können Forscher mehr Zeit damit verbringen, mit Kollegen nachzudenken, Ergebnisse zu lesen und zu analysieren.
Wissenschaftler der Carnegie Mellon University in Pittsburgh waren so beeindruckt von den Möglichkeiten der Mitarbeiter und Studenten im Emerald Cloud Lab – einem Forscher gelang es, jahrelange Experimente seiner Doktorarbeit innerhalb weniger Wochen nachzubilden –, dass sie das Unternehmen kürzlich baten, einfach ein weiteres zu bauen für Sie.
Da der Zugang zu einem Cloud-Labor für ein Jahr oft weniger kostet als ein einzelnes High-End-Laborgerät, sagt die Dekanin des Carnegie Mellon’s College of Science, Rebecca Doerge, dass das Modell transformativ sein könnte. „Ich bin nicht daran interessiert, nur die Wissenschaft an der Carnegie Mellon zu verändern. Ich interessiere mich dafür, den Wissenschaftsprozess weltweit zu verändern“, sagt sie über die neue Einrichtung in Pittsburgh. „Wir alle haben Kollegen an unterversorgten Orten, die nicht die Wissenschaft betreiben können, zu der sie fähig sind, nur weil sie nicht genug Geld haben. Mit einer Internetverbindung und Zugang zu einem Cloud-Labor ist dies also ein Spielveränderer.“
Doerge, ein Statistiker, der zum Wissenschaftsadministrator wurde, ist ebenfalls begeistert davon, Variationen und menschliche Fehler aus der experimentellen Arbeit zu entfernen. An dem neuen Standort mit einer Fläche von 1.500 Quadratmetern wird es keine Wissenschaftler geben, sondern nur ein halbes Dutzend Techniker, die den Betrieb rund um die Uhr unterstützen. „Die Leute gehen immer noch in Nasslabore und stehen dort immer noch und machen Fehler. Ich glaube nicht, dass in der Wissenschaft alles automatisierbar ist, das sage ich nicht. Ich sage nur, dass die sich wiederholenden Dinge, sobald Sie sie gelernt haben, nicht mehr dastehen und es immer und immer wieder tun müssen.
Wissenschaftler wie Doerge glauben, dass die Präzision von ferngesteuerten Labors dazu beitragen könnte, die als „Reproduzierbarkeitskrise“ der Wissenschaft bekannt gewordene Krise zu beheben – die besorgniserregende Enthüllung, dass die Ergebnisse einer Fülle von veröffentlichten Forschungsergebnissen nicht repliziert werden können, wenn verschiedene Gruppen von Wissenschaftlern denselben folgen Methoden genau. Das Anschließen eines Experiments an einen Browser, das von Robotern durchgeführt werden soll, zwingt die Forscher, die genauen Details jedes Schritts in eindeutigen Code zu übersetzen. Was zum Beispiel früher in einer wissenschaftlichen Arbeit als „Proben mischen“ beschrieben wurde, wird zu detaillierten Computeranweisungen für eine bestimmte Maschine, die eine bestimmte Zeit lang mit einer bestimmten Anzahl von Umdrehungen pro Minute mischen soll. Weitere Faktoren, die das Ergebnis beeinflussen könnten, wie z. B. die aktuelle Umgebungstemperatur, werden in den Metadaten erfasst.
Da Doerge immer mehr Forschung – und sogar Lehre – an der Carnegie Mellon dazu ermutigt hat, in die abgelegenen Labors verlegt zu werden, haben nicht alle ihre Kollegen unterstützt. Viele Wissenschaftler denken, dass die Zusammenarbeit mit Kollegen am Labortisch und die Bilder und Geräusche von Experimenten dazu beitragen, spannende Ideen und glückliche Unfälle zu generieren. Andere haben Bedenken hinsichtlich der Qualität von Daten, die in Labors produziert werden, die sie nie betreten haben. „‚Wenn ich es nicht mit meinen eigenen Augen sehe, existiert es nicht’ – das habe ich von einigen Senioren gehört Fakultätsmitglieder“, sagt Doerge. „Es ist sicher ein Umdenken.“
Einige Experten sind der Ansicht, dass ein derart einfacher Zugang zu hoch entwickelten Labors eine potenzielle Bedrohung für die Biosicherheit oder den Bioterrorismus darstellt. Theoretisch könnten kleine Gruppen oder sogar Einzelpersonen ohne Forschungserfahrung ein Wolkenlabor nutzen, um mit der Durchführung komplexer biologischer Experimente zu beginnen. „Die Labors sagen, dass sie nur mit vertrauenswürdigen Partnern zusammenarbeiten, aber natürlich sind sie sehr daran interessiert, ihren Markt zu öffnen“, sagt Dr. Filippa Lentzos, Expertin für biologische Risiken und Biosicherheit am King’s College London. „Obwohl wir uns daran erinnern müssen, dass die meisten Leute aus guten Gegenden kommen, gibt es da draußen auch einige ziemlich verrückte Leute. Barrieren fallen definitiv, wenn man absichtlich etwas Schädliches tun will.“
Cloud Labs sagen, dass sie alle geplanten Experimente überprüfen und über Systeme verfügen, um alle zu kennzeichnen oder abzulehnen, die illegal oder gefährlich erscheinen. Außerdem, argumentieren sie, macht es die vollständige Digitalisierung von allem, was im Labor passiert, tatsächlich einfacher aufzuzeichnen und zu überwachen, was die Leute tun, als in einem traditionellen Labor.
Paul Freemont, Mitbegründer des britischen Innovations- und Wissenszentrums für synthetische Biologie, hat bei der Entwicklung mehrerer hochautomatisierter Labore im Vereinigten Königreich mitgewirkt, darunter eine Roboterplattform, die zu Beginn der Pandemie mehr als 1.000 Covid-Tests pro Tag durchführen konnte. Er ist sich nicht sicher, ob ferngesteuerte Labore noch „reif“ genug sind, um das zu replizieren, was Wissenschaftlern zur Verfügung steht, die ihre eigenen automatisierten Geräte aufbauen. „Ich mag das Konzept und denke, dass dies der Weg der Wissenschaft sein wird. Es würde funktionieren, wenn wir alle notwendigen Protokolle und Arbeitsabläufe hätten, die ein Biologe benötigen könnte, aber ich denke, das ist derzeit nicht in der Komplexität und im Detail verfügbar, die man braucht.“
Freemont hat auch Bedenken, dass Wissenschaftler die Software oder Hardware, die ihre Daten generiert, nicht wirklich verstehen oder sich nicht mit ihr beschäftigen. „Man muss die nächste Generation von Wissenschaftlern verstehen lassen, wie man diese ganze Infrastruktur selbst aufbaut und wie man damit arbeitet – man muss sicherlich etwas praktische Erfahrung haben. Das Potenzial für ein paar Labore oder große Privatunternehmen, dieses Verständnis zu monopolisieren – ich denke nicht, dass es sehr gesund wäre.“
Trotz dieser Bedenken wächst der Appetit auf Cloud-Wissenschaft. Emerald baut seine Kapazitäten aus, um mit der Nachfrage Schritt zu halten, hauptsächlich von Pharmaunternehmen und Biotech-Startups. Strateos arbeitet mit der US-Forschungsagentur Darpa zusammen, um im Detail zu untersuchen, wie ihre Einrichtungen die Reproduzierbarkeit und Effizienz früherer Experimente verbessern können, und das Unternehmen lizenziert auch seine Software, damit andere Institutionen ihre Einrichtungen umrüsten können.
In Zukunft könnten Cloud Labs sogar selbst entscheiden, welche Experimente sie durchführen. Wie die DeepMind-Plattform von Google kürzlich bewiesen hat, können Tools für maschinelles Lernen jetzt Daten aus Jahrzehnten verschlingen und Antworten auf Fragen ausspucken, für deren Lösung Wissenschaftler viele Jahre mit physikalischen Untersuchungen benötigen würden. Pharmaunternehmen nutzen diese Tools zunehmend, um bei der Suche nach neuen Medikamenten molekulare Wechselwirkungen zu simulieren. Durch Cloud-Labs generierte Daten – die Biologie in Informationstechnologie übersetzen – würden diese Tools nur noch leistungsfähiger machen. Die Kombination all dieser Technologien könnte eines Tages zu Systemen führen, die Theorien entwickeln und diese ohne menschliches Zutun physisch testen können.
Einige fortgeschrittene Benutzer von Emerald Cloud Lab haben bereits Algorithmen entwickelt, die die Parameter oder die Richtung des nächsten Experiments basierend auf ihrer eigenen Datenanalyse anpassen. „Es ist irgendwie wild, sehr futuristisch“, sagt Frezza.
All dies bedeutet, dass Wissenschaftler die neueste Profession sind, die sich fragen, was der Schritt in Richtung Automatisierung und KI für die Zukunft bedeutet. Könnten eines Tages mehr traditionelle Forscher arbeitslos werden? Unwahrscheinlich – schließlich werden wir immer Menschen brauchen, die priorisieren, welche Fragen beantwortet werden müssen, und neue Wege entwickeln, sie zu beantworten. Doch die Zeiten, in denen man mit weißem Kittel und Handschuhen neben der Flamme eines Bunsenbrenners auf einer Bank saß, könnten bald vorbei sein – die Ära der Roboterforscher bricht an.