Vor zwanzig Jahren war die Sequenzierung eines menschlichen Genoms ein internationales Milliardenprojekt. Heute können Sie das Genom Ihres Hundes bis Ende des Monats für ein paar Dollar sequenzieren lassen. Es spricht für die Geschwindigkeit, mit der die Genetik unser Leben durchdrungen hat, aber trotz massiver Verbesserungen der Technologie kann der Prozess im Labor immer noch etwas schwerfällig sein.
Bevor Sie überhaupt anfangen können, den genetischen Code einer Person zu entwirren, müssen Sie mit einer Probe beginnen. Und diese Probe muss richtig vorbereitet werden. Es ist ein relativ langweiliger Prozess, der oft zugunsten auffälligerer Anwendungen der Genomsequenzierung (sprich: Wiederbelebung von Mammuts) beiseite geschoben wird. Aber es ist ein Ort, wo Volta Labs zielt darauf ab, einen neuen Fokus zu setzen.
Volta Labs wurde 2018 gegründet und ist ein Startup, das aus dem Medienlabor des MIT hervorgegangen ist und sich auf die Entwicklung eines programmierbaren Ansatzes für die Vorbereitung von DNA-Proben konzentriert. Das Team ist dabei, ein Instrument in Desktop-Größe zu entwickeln, das die Prozesse automatisieren kann, die zur Vorbereitung genetischer Proben verwendet werden.
„Die ganze Welt konnte vor 20 Jahren kein einziges menschliches Genom sequenzieren, und heute kann ich als Nicht-Biologe ein menschliches Genom in ein oder zwei Tagen auf einer Bank sequenzieren. Aber wenn Sie sich die Schritte für die Probenvorbereitung ansehen, hinkt sie immer noch weit hinterher. Es wurde fast vernachlässigt“, sagte CEO und Mitbegründer Udayan Umapathi gegenüber Tech.
Die Entstehungsgeschichte von Voltas Instrument geht auf das Jahr 2015 zurück, als Umapathi am MIT an seiner Abschlussarbeit arbeitete. „Was mir aufgefallen ist, war, dass die bestehenden Technologien zum Bewegen, Mischen und Erhitzen von Flüssigkeiten archaisch waren“, sagte er. „Mir wurde klar, wenn wir Biologie im großen Maßstab betreiben müssen, muss die Automatisierung für die Biologie von Grund auf neu aufgebaut werden.“
Der DNA-Probenvorbereitungsprozess beginnt mit einer biologischen Probe, wie Blut, Speichel oder sogar Pflanzengewebe. Von dort aus werden eine Reihe von enzymatischen und chemischen Reaktionen durchgeführt, die DNA-Moleküle herausziehen. Dann müssen sie manipuliert werden, damit sie dann von einem Sequenzer „gelesen“ werden können. Diese Reaktionen werden durchgeführt von Flüssigkeitshandhabungsroboteroder in einigen Fällen von Hand.
Volta automatisiert diesen Prozess mit dem, was Umapathi „digitale Fluidik“ nannte – eine Form der Elektrobenetzung. Dabei wird eine Anordnung von Elektroden verwendet, die auf einem Gitter angeordnet sind, von denen jede geladen oder entladen werden kann, wodurch eine Art Labyrinth entsteht, das Flüssigkeitstropfen präzise positionieren kann.
Voltas digitales Fluidik-Array. Bildnachweis: Volta Labs
Mit der richtigen Programmierung ist Umapathi zuversichtlich, dass seine Plattform es ermöglicht, Flüssigkeiten auf noch komplexere Weise zu manipulieren, wie zum Beispiel die Verwendung von Magnetfeldern, um bestimmte Moleküle zur weiteren Analyse aus Proben zu ziehen.
Trotz dieser Fähigkeiten soll das Instrument klein sein: Umapathis Ziel ist es, die Größe eines Laptops beizubehalten.
Umapathi ist nicht der Erste, der das Potenzial der „digitalen Fluidik“ für biologische Anwendungen sieht. Tatsächlich ist Illumina seit Jahren an Technologien dieser Art interessiert.
Im Jahr 2013 Illumina erworben Advanced Liquid Logic, ein 2004 gegründetes Unternehmen, das bereits an der Anwendung digitaler Mikrofluidik zur Vorbereitung von Arbeiten für die DNA-Sequenzierung der nächsten Generation gearbeitet hatte. Im Jahr 2015 versuchte Illumina, eine eigene Version eines Probenvorbereitungsprodukts für DNA-Bibliotheken namens NeoPrep auf den Markt zu bringen, das den vier- bis fünftägigen Prozess in einem Instrument zusammenfasste, das die Aufgabe in 30 Minuten erledigen konnte. Als Autoren von a Übersichtsarbeit 2020 Laut einer Mitteilung der Elektrowetting-Industrie wurde das Instrument 2017 „aus unbekannten Gründen eingestellt“.
Ob das Ende von NeoPrep im Jahr 2017 größere Auswirkungen auf Voltas eigenen Kommerzialisierungsprozess hat, ist schwer zu sagen. Aber es scheint, dass Illumina die Idee noch nicht ins Bett gebracht hat.
Am Donnerstag kündigte Volta eine Serie-A-Runde im Wert von 20 Millionen US-Dollar an, die von Maverick Ventures geleitet wurde (Maverick leitete auch eine frühere Seed-Runde), an der Khosla Ventures, Casdin Capital und E14 Funds beteiligt waren. Zu den Teilnehmern gehören auch Illumina-Mitbegründer John Stuelpnagel und andere große Namen im Bereich der Genetik wie Anne Wojcicki, CEO von 23andMe, und Paul McEwan, Gründer von Kapa Biosystems. McEwan hat bei Roche Sequencing Solutions insbesondere Programme zur Probenvorbereitung für die Sequenzierung geleitet.
Die natürliche Frage hier ist: Gibt es Voltas Instrument eigentlich schon? Das tut es, sagte Umapathi, und es befindet sich bereits in den Händen von vier Partnern, die es im Feld testen. Er lehnte es ab, die Partner zu nennen, beschrieb sie aber kurz.
Das eine ist ein Unternehmen, das sich auf die Behandlung von Krebs und neurologischen Erkrankungen konzentriert und Voltas Technologie zur Entwicklung eines DNA-Extraktionsprozesses verwendet hat. Eines ist eine Forschungseinrichtung für RNA-Anwendungen. Das dritte ist ein „Genomzentrum“, sagt er. Das vierte Unternehmen ist ein Biotech-Unternehmen, das sich für synthetische Biologie interessiert.
Ziel des Unternehmens ist es, auf der AGBT Genomics-Konferenz im Juni eine „Limited Trial Edition“ auf den Markt zu bringen. Während dieses Starts erwartet Umapathi auch die Präsentation von Daten aus den mit dem „Genomzentrum“ durchgeführten Versuchsprojekten. Er erwartet, im Jahr 2023 ein kommerzielles Produkt fertig zu haben.
Die sich schnell beschleunigende Genomikindustrie hat möglicherweise Platz für Volta, um an Bord zu klettern. Die Sequenzierung des menschlichen Genoms im Rahmen des Human Genome Project kostete 3 Milliarden US-Dollar. Heute kann derselbe Vorgang für wiederholt werden ungefähr $600. McKinseys 2020 Analyse der Genindustrie schätzten, dass die Kosten für die Genomsequenzierung innerhalb eines Jahrzehnts unter 100 US-Dollar sinken könnten.
Vor diesem Hintergrund scheint der Engpass bei der Probenvorbereitung offensichtlich. Die größere Frage hier ist: Warum haben die Giganten der Genomsequenzierung nicht bereits die Lösung geschaffen?
Ein Teil der Antwort ist, dass sie es bereits versucht haben, und einige Orte, wie Roche tun haben Instrumente, die jedes kleine Stück des Sequenzierungsvorbereitungspuzzles einzeln ansprechen, im Gegensatz zu dem integrierten System, das Umapathi zu schaffen beabsichtigt. Aber die Antwort, die Umapathi bevorzugt, ist, dass die bestehende Sequenzierungstechnologie bereits kompliziert genug ist, um einen Vollzeitjob zu sein.
„Die Technologie, die wir heute entwickelt haben, ist fast so komplex wie die Probenvorbereitung selbst. Für viele der Sequenzierungstechnologieunternehmen war es daher bereits eine große Herausforderung, ihre Kerntechnologie zu bekommen.“
In Zukunft muss Volta beweisen, dass relativ komplexe Chemien in einem so kompakten Instrument manipuliert werden können. Es wird weit mehr Daten veröffentlichen müssen, als es jetzt hat, um wirklich zu beweisen, dass es in diese Nische passen kann. Vertrauliche Versuche mit vier Kunden und unveröffentlichte Daten reichen nicht aus.
Aber wenn es tatsächlich funktioniert, könnte sich Volta dem Aufstieg einer Branche anschließen, die bereits boomt. Mit dieser Serie-A-Runde plant Umapathi, einen Herstellungsplan zu skizzieren und mit dem Aufbau von Kommerzialisierungskapazitäten zu beginnen.
„Ich denke, der große Teil des Kapitals wird wahrscheinlich in den Aufbau einer Produktstrategie und Kommerzialisierung oder eines Teams fließen, und wir nähern uns der Kommerzialisierung im nächsten Jahr“, sagte er.