Tesis:
Programming biology with bioblocks in an open portable bio lab
- Autor: MA, Tongmao
- Título: Programming biology with bioblocks in an open portable bio lab
- Fecha: 2024
- Materia:
- Escuela: E.T.S DE INGENIEROS INFORMÁTICOS
- Departamentos: INTELIGENCIA ARTIFICIAL
- Acceso electrónico: https://oa.upm.es/80536/
- Director/a 1º: RODRÍGUEZ-PATÓN ARADAS, Alfonso
- Resumen: La biología molecular es el estudio de la estructura química y física de las macromoléculas biológicas. Las principales técnicas de la biología molecular incluyen la clonación molecular, la reacción en cadena de la polimerasa, la electroforesis en gel, etc., que se utilizan ampliamente en el diagnóstico, la investigación y el descubrimiento de fármacos modernos. Ha contribuido a logros médicos y científicos cruciales y han aportado mejoras significativas en el diagnóstico y tratamiento de enfermedades.
Los protocolos de biología molecular requieren maquinaria costosa y deben ser realizados por profesionales con gran experiencia en la materia. Además, este tipo de laboratorios no están al alcance de todos y solo unos pocos privilegiados de los países desarrollados pueden tener acceso a ellos.
Lab-in-a-box es un término relativamente moderno que describe un laboratorio científico móvil, construido en un contenedor pequeño, que beneficiará tanto a la investigación científica como a las aplicaciones comerciales.
En un laboratorio biológico, la reproducibilidad también juega un papel importante que conducirá a un mayor avance científico. Sin embargo, varios factores que pueden contribuir a la falta de reproducibilidad: 1) falta de acceso a detalles metodológicos, datos sin procesar y materiales de investigación; 2) la incapacidad de gestionar conjuntos de datos complejos; 3) las malas prácticas de investigación y diseño experimental; 4) el sesgo cognitivo.
Esta investigación se centra en mejorar la reproducibilidad, aumentar la automatización y reducir la barrera de acceso a un laboratorio biológico. Planeamos hacer de la biología una tecnología programable más fácil al reducir las barreras a la automatización en biología y cerrar la brecha entre biólogos e ingenieros, y también esperamos crear dispositivos potentes pero fáciles de usar y suministros asequibles para permitir que los principiantes y profesionales usen el poder de la PCR en cualquier lugar.
En esta tesis, se propone una nueva versión de un lenguaje de programación en bloques para describir protocolos de laboratorio experimentales, llamado BioBlocks. El nuevo BioBlocks se basa en la plataforma Microsoft MakeCode. BioBlocks puede mostrar toda la información de un protocolo de forma clara y visible mientras proporciona control al hardware que el antiguo no tiene. Es de alta cohesión y bajo acoplamiento y ofrece a los usuarios acceso para cambiar los bloques según sus necesidades.
Se diseñan y ensamblan cuatro módulos de hardware diferentes, que incluyen centrífuga, termociclador, electroforesis e incubadora. Estos módulos se pueden controlar con nuestros programas Bioblocks y pueden obtener resultados comparables. Ofrece una forma fácil, asequible y de código abierto para que todos puedan hacer experimentos con laboratorios biológicos portátiles de bricolaje. Más usuarios pueden imitar nuestros laboratorios de bricolaje para montar los suyos propios.
Se propone un mecanismo de Procesamiento de Lenguaje Natural (NLP) basado en reglas de BioBlocks basado en reglas que puede extraer un bloque de un protocolo. Al combinarse con varios matcheres, el algoritmo podría hacer coincidir las palabras clave y crear código BioBlocks. Después de la prueba, podría agregarse al lenguaje BioBlocks para expandir los bloques.
Esta investigación muestra una forma de hacer que la biología sea programable, proporciona un biolaboratorio asequible de código abierto y da más ideas sobre la biología de la programación.
ABSTRACT
Molecular biology is a study that works on both the chemical and physical structure of biological macromolecules. Some techniques used in molecular biology are popular and productive, including molecular cloning, polymerase chain reaction, gel electrophoresis, and so on, which are applied extensively in modern-day drug discovery, research and development, and diagnostics. They have achieved important medical and scientific results, bringing significant advances in disease diagnosis and treatment.
In molecular biology protocols, expensive machinery is usually required and they need to be performed by professionals with extensive expertise in the subject. Besides, the molecular biology laboratories are not always available to all people. Normally, only a privileged few people from the developed world have access to them. Lab-in-a-box refers to a mobile science lab, put together in a small container, which will benefit both scientific research and commercial applications.
In a bio lab, reproducibility also plays an important role which will lead to more scientific advancement. However, there are several factors may contribute to the lack of reproducibility: 1) a lack of access to methodological details, raw data, and research materials; 2) the inability to manage complex datasets; 3) the poor research practices and experimental design; 4) the cognitive bias.
This research focuses on improving reproducibility, increasing automation, and lowering the barrier to access to a bio lab. We plan to make biology an easier programmable technology by lowering the barriers to automation in biology and bridging the gap between biologists and engineers, and we also hope to create powerful yet easy-to-use devices and affordable consumables that would enable beginners and professionals alike to use the power of bio-lab anywhere.
In this thesis, we re-established a new blockly programming language, called BioBlocks, used to describe experimental lab protocols (and published in the journal Methods (Ma, Méndez-Merino et al. 2023)). The new BioBlocks utilize the Microsoft MakeCode platform. BioBlocks can display all the information of a protocol clearly and conspicuously while providing control to the hardware that the old one doesn't have. It has high cohesion and low coupling by which users can change the blocks to satisfy their requirements.
Four different hardware modules are designed and assembled including a centrifuge, a thermocycler, an electrophoresis model, and an incubator. Users can manipulate and execute these modules with our Bioblocks programs. It offers an easy, affordable, and open-source method for people of all ages to do experiments with portable Do-It-Yourself (DIY) bio labs. More users can imitate our DIY labs to assemble their own ones.
A rule-based BioBlocks NLP is proposed which can extract a block from a protocol. Using several marchers, the algorithm could match the keywords and create BioBlocks code. After testing, it could be added to BioBlocks language to expand the blocks. This research shows a way to make biology programmable, provides a cheap open-source bio lab, and gives more thoughts on programming biology.