DIY技術如何使科學民主化，開放科學和3D列印使研究人員比以往更輕鬆地接受DIY實驗室工具

將3D列印的熒光顯微鏡的鏡頭向下觀察到培養皿中，並放置在實驗室工作臺上，顯示器後面

DIY硬體，例如這種3D列印的熒光顯微鏡，正在將尖端的研究和診斷技術帶入資源有限的地區。

在他的顯微鏡下訓練著眼睛的細胞上，古斯塔沃·巴蒂斯塔·梅內塞斯（Gustavo Batista Menezes）不僅對科學感興趣，對他的想法也更多。

Menezes在加拿大卡爾加里大學使用一種專用的共聚焦顯微鏡，耗資近一百萬美元，他不知道當他回到巴西開始自己的實驗室時如何負擔得起。 Menezes說：“在低收入國家擁有這筆錢幾乎是不可能的。”因此，當他於2009年在貝洛奧裡藏特的米納斯吉拉斯州聯邦大學獲得職位時，他選擇不購買高檔的商業樂器。他陪審團操縱自己的。

Menezes使用顯微鏡觀察活小鼠的細胞。修改現有顯微鏡以進行“活體”成像通常需要花費5，000-10，000美元。但梅內塞斯發現了一種更便宜的方式：他與同事們集中資金，從當地一家五金店購買了便宜的裸機共聚焦顯微鏡，1美元的有機玻璃鏡臺和2美元的紅外燈。他說：“在我的實驗室中安裝顯微鏡後十二分鐘，”它產生了第一張體內影象。它將繼續生成足夠好的影象，以使其兩次成為《肝病學》雜誌的封面。

“科學家建造自己的裝置的想法與科學一樣古老，”英國布萊頓附近薩塞克斯大學的神經科學家湯姆·巴登說，他與人共同創立了一個非營利性組織，名為自然科學教學與研究。非洲的開發（TReND），除其他事項外，還提供開放科學硬體方面的培訓。新功能是線上提供大量免費的開放原始碼設計，並且使用3D印表機和諸如Arduino和Raspberry Pi之類的業餘電子產品來構建它們變得越來越容易。這些資源與開放原始碼的試劑相結合，即使在缺乏訓練有素的技術人員，冷庫和可靠電源的資源匱乏的地區，也可以進行高階診斷。

建立自己的儀器以及合成自己的試劑可能既費時又費力。與商業替代品相比，它可以生產出更精細，更不可靠的材料。技術支援由您自己決定。但是，對於那些願意堅持下去的人來說，結果可能是變革性的。 Menezes已與巴西全國各地的實驗室共享了他的低成本設計1，其中包括該國一些最貧窮的地區，他說，這些教授以前從未使用過共聚焦顯微鏡。他說：“這些技術應該提供給每個想要進行研究的個人。”

使科學民主化

對於某些研究人員而言，自己動手研究的魅力在於DIY本身：建造和維護定製裝置是一項工程和技術挑戰。但是對於其他人來說，這是財務問題。自制裝置往往比商用裝置便宜得多，因此更容易獲得。

MboaLab的創始人Thomas Mboa是一個協作空間，在喀麥隆雅溫得提供開放科學的培訓和資源，他回憶說，當他在雅溫得第一大學學習分子生物學時，他甚至沒有接觸過顯微鏡。他只是具備理論知識，當時他們給我們的解釋是裝置非常昂貴。”他說。 “開放科學和DIY生物學可以彌補我們在非洲面臨的技術差距。”

DIY方法使您的實驗室自動化

使用免費提供的設計，研究人員可以建造從移液器和培養箱到用於擴增DNA的聚合酶鏈反應（PCR）機器的所有產品。霍頓市密歇根理工大學的材料工程師約書亞·皮爾斯（Joshua Pearce）寫了一本關於在科學中構建開源硬體的書，估計他透過建造自己的實驗室裝置節省了數十萬美元。他說：“我們基本上不再購買東西了。”皮爾斯說，用開源設計構建的硬體通常只花費商業同類產品價格的1-10％，他已經在他的網站“開源實驗室”中策劃了許多設計。

薩塞克斯大學研究生物工程師安德烈·邁亞·查加斯（Andre Maia Chagas）說：“硬體是在科學真正廣泛應用之前我們需要打破的最後一個障礙。”恰加斯（Chagas）建立了一個名為“開放神經科學”的資料庫，人們可以用來共享他們的專案，他還向非洲的TReND提供了建議。他說，開放硬體可以幫助使印度，巴西和整個非洲等地區的研究民主化。 “現在的團體在所有這些國家/地區，他們都可以自己打造自己的東西，並將自己帶到同一個競技場上。

費爾南·費德里奇（Fernan Federici）就是一個很好的例子。聖地亞哥天主教智利大學的分子生物學家費德里奇沒有以25，000美元或更高的價格購買現成的熒光顯微鏡，而是以250美元的價格用3D列印了自己的熒光顯微鏡。它不能完成品牌樂器可以做的所有事情，但是已經足夠了。他說：“我們需要一種特定的應用程式-使細菌的熒光熒光延時生長-我們可以用開放的硬體來做到這一點。”

兩個人在金屬和塑膠框架上的桌子旁工作，而其他人在他們周圍的桌子上工作

人們參加了在南非開普敦舉行的TReND 2018開放實驗室軟體課程。

DIY硬體的另一個優點是可定製性。巴斯大學的物理學家理查德·鮑曼（Richard Bowman）說：例如，可透過3D列印的OpenFlexure顯微鏡2是為英國的實驗室設計的，該實驗室目前購買昂貴的商用顯微鏡，然後再鑿鑿，以定製光學器件。 ，英國，誰開始了這個專案。帶有數字相機，電動樣品臺和聚焦控制的全自動實驗室級OpenFlexure顯微鏡的價格低至200英鎊（262美元）。研究人員使用適合超解析度顯微鏡等應用的光學器件和鐳射器定製了基礎設計，但是其低成本和低功耗要求以及便捷的顯微鏡便攜性也使其在坦尚尼亞資源貧乏的地區具有不可估量的價值。用於診斷瘧疾。

建立自己的裝置確實意味著發生故障時，沒有保修和技術支援。但這實際上是一個優勢。 Menezes說他通常最好修理自己的裝置：維護合同很昂貴，而且技術人員可能要花數月的時間才能出現。鮑曼說：“與此類似，“透過在坦尚尼亞建造OpenFlexure顯微鏡，我們可以確保當破裂時，有人可以在現場對其進行修復”。

DIY試劑

英國劍橋大學的生物技術專家珍妮·莫洛伊（Jenny Molloy）致力於解決研究的另一個財務障礙。認識到試劑通常是資源貧乏地區分子生物學研究的重要障礙，莫洛伊建立了開放生物經濟實驗室，這是一個跨學科小組，致力於開發生物技術的開放原始碼工具。自2017年以來，她在Open Enzyme Collection中編輯了84種開源酶和45個報告基因，包括聚合酶，連線酶，逆轉錄酶，限制酶和熒光蛋白。她說：“我們估計，透過生產自己的酶，可以節省至少80-90％的酶成本。”

研究人員可以從FreeGenes線上目錄中的Open Enzyme Collection中訂購研究級試劑，將其作為DNA成分，克隆到表達載體中並在細菌中表達以產生自己的酶。 Molloy現在正在開發易於表達的質粒，可以透過非盈利性資料庫Addgene進行分發。她還與Mboa合作，透過總部位於雅溫得的非營利企業Beneficial Bio在喀麥隆生產和銷售低成本，即用型酶，並在計劃階段與其他國家/地區進行了合作。

非洲科學家利用開放式硬體

莫洛伊說，在許多情況下，開放酶館藏提供了比研究人員原本無法負擔的更好的試劑。她說，例如Taq聚合酶是PCR的一種流行選擇，不是因為它一定是最好的，而是因為它很便宜。 “我們目前的關鍵酶是OpenVent，它比Taq更熱穩定，更堅固，保真度高五倍。”

也就是說，選擇自己動手做自己的試劑的實驗室必須準備好進行自己的酶表達，純化和測試。莫洛伊（Molloy）在迦納和衣索比亞開設了開放式酶的生產課程，並計劃在非洲和南美開展其他課程。他說，開放生物經濟實驗室可以提供易於遵循的實驗方案，以測試酶的活性和純度。該小組正在開發一種開源生物反應器，用於培養產生所需酶的細胞。但是，她說：“如果您不是蛋白質專家，則一定要聯絡可能會幫助您的其他生物學家”。

價格合理的診斷

DIY試劑還可以降低某些分子診斷的成本，Molloy策劃了一些酶的選擇，這些酶可以用於資源貧乏地區的醫療保健。她說，但是DIY診斷確實需要特別考慮。裝置和試劑必須滿足更高的標準並遵守嚴格的法規，同時在醫療保健環境中也必須更加堅固和易於使用。

例如，要使用OpenFlexure顯微鏡診斷坦尚尼亞的瘧疾，鮑曼必須從他的實驗室裝置中取出散落的電子板和電纜，並將其呈現給使用者。友好的包裝。他說：“從在我的實驗室中可以用來處理這種裸硬體的實驗室中獲取有用的東西，到使寄生蟲學技術人員不為所動的東西，這是一個很大的進步，”他說。

新德里基因組和整合生物學研究所的RNA生物學小組負責人Debojyoti Chakraborty說，分子測定法也是如此。 Chakraborty和他的同事Souvik Maiti開發了一種廉價的行動式紙條測試，以識別印度農村地區鐮狀細胞病的攜帶者。 “事情必須簡單；他們必須健壯；而且它們必須具有可複製性。”他說。例如，他們意識到從年幼的孩子身上抽取血液樣本不需要太多的哄騙，而是制定了使用唾液中的DNA的協議。

戴著手套的手拿著多孔板，多孔板帶有兩個用於測試COVID-19的箭頭和線條的紙帶標記

由CSIR基因組與整合生物學研究所（IGIB）開發的紙質COVID-19測試可在新德里的IGIB實驗室中進行。

這種適應性幫助研究人員在2020年初迅速將其診斷方法重新用於測試SARS-CoV-2。由此產生的測定3，4預計只需600盧比（8美元），可以在任何使用常規PCR機的實驗室中進行，而只有專業機構才能處理的典型高階考試費用為2500-4000盧比。

同樣，當班加羅爾印度科學研究所的博士生Navjot Kaur開發出一種低成本的結核病即時診斷服務5時，她知道必須由缺乏訓練有素的技術人員的偏遠村莊進行訪問，而不是提到可靠的力量。因此，她避開了PCR的熱迴圈，轉而選擇了一種在恆定溫度下工作的替代方法，並且正在努力在沒有冰箱和冰櫃的情況下提高測試的穩定性。她說：“只有在外地工作時，您才能意識到所有這些小事情都可能完全殺死您的幻想技術。”

由於現在已經可以輕鬆獲得如此多的技術，因此，廣泛採用DIY裝置的最大障礙實際上可能是心理上的。倫敦的弗朗西斯·克里克學院（Francis Crick Institute）的露西婭·普里託·戈迪諾（Lucia Prieto-Godino）說：“很多時候，人們都認為科學應該是非常幻想的。”她試圖在由TReND在非洲舉辦的開放式硬體研討會上消除這種想法，該研討會由她與Baden和Sadiq Yusuf共同創立，儘管她承認DIY專案對於初學者而言可能會令人望而生畏。

Chagas建議，從小處著手，並從實驗室真正需要的東西開始。開放科學的硬體設計可在美國國立衛生研究院3D列印交易所和科學公共圖書館開源工具包中線上獲得。

無論是透過大學的工程部門還是在Makerspaces和FabLabs等本地開放硬體社群中，無論是在開放科學硬體聚集（GOSH）和非洲開放科學與硬體網路（AfricaOSH）等站點上線上獲得的幫助，還是可以隨時獲得的。 。費德里奇說，這些資源可以迅速彌補技能和知識上的差距。他說：“我們能夠組裝一種裝置，幫助我們進行熒光研究，而無需成為熒光，工程或電子學等任何主題的專家。”

3D革命

許多專案需要3D列印，這已經改變了DIY科學。馬斯溫戈大辛巴威大學研究與創新主管傑斐斯·格瓦穆裡（Jephias Gwamuri）說：“事實是，如果您能夢想任何事情，那麼您就可以去車庫，然後開始打印出來，這真是太有力量了。”在COVID-19大流行期間，他一直在使用3D印表機列印低成本的面罩，個人防護裝置和呼吸機零件。

體面的3D印表機現在的價格僅為250美元，而且通常都是預先組裝好的。但是，與PCR儀器一樣，對3D印表機的訪問受限以及缺乏可靠的電力來執行它們仍然是DIY科學的障礙。

Gwamuri正在嘗試透過設計太陽能3D印表機來糾正電源問題，這些印表機要小得可以裝在行李袋中，以運輸到偏遠地區。他和皮爾斯還致力於降低3D印表機中使用的燈絲成本。他說，商業用長絲的價格為每公斤20美元，但Gwamuri找到了一種方法，可以用再生塑膠廢料製造長絲，而這種廢塑膠的成本僅為每公斤1-4美元。

研究人員還可以透過回收實驗室裝置（例如從舊的或損壞的顯微鏡中回收）來削減成本。鮑曼說：“能夠重複使用的最有可能的部件是物鏡，它也是最昂貴且難以採購的部件之一。” Menezes用紫外線照明器建造了自己的5美元的凝膠成像儀（通常售價3，000至5，000美元），是從他從垃圾和一些黑色有機玻璃中撈出的紫外線照明器帶孔的，用於手機攝像頭。

這樣的經濟可以延長預算，但如果我不願意，DIY硬體就沒什麼用了無法生成可靠的可複製資料。鮑曼說：“我們使用Raspberry Pi相機的原因是數量已知。” “也可以重複使用廉價的網路攝像頭，但是每個網路攝像頭都略有不同，因此您會失去一致性。”

柏林愛因斯坦神經科學中心神經科學博士研究員Victor Kumbol說：“這是開放硬體成為研究主流的挑戰之一，因為裝置的質量會影響您獲得的資料。”在迦納庫馬西的誇梅·恩克魯瑪科技大學攻讀碩士學位期間，該裝置可以量化動物活動。

查詢已經在同行評審期刊上發表的設計，例如，Kumbol釋出他的設計的HardwareX或開放硬體期刊。並選擇具有良好文件的裝置進行構造，校準和維護。例如，在過去的幾個月中，Bowman已在OpenFlexure顯微鏡軟體中添加了一個工具，可引導使用者完成基本的校準步驟。

但是，有時候，DIY並不是一個很好的選擇。 “您需要知道工具對於給定任務的精確程度，” Baden說。他說，例如，從事尖端分子生物學研究的實驗室可能不希望以準確性為代價在移液器上省錢。但是它可以透過購買經過精確校準的商用移液器來處理幾微升，並使用精度較低的3D列印移液器獲得更大的體積，從而在成本和準確性之間取得平衡。

實驗室必須根據研究優先順序，DIY經驗和預算來權衡這些折衷。但是，隨著DIY硬體的可訪問性和複雜性的提高，其普及程度也將隨之提高。查加斯說：“這將帶來很多有趣的可能性。”