野口大貴 Hiroki Noguchi, Ph.D. DIY蛋白質結晶自動観察マシン Beagleの開発 ～ラボDIYモノづくりしませんか？～ LADEC 2020 (公開用資料)

Introduce myself • 2015, Yokohama City University, Ph.D. • ’15 Indiana State Univ. (US), Post-doc Res. • ’16 KU LEUVEN (Belgium), Post-doc Res. • ‘19 Pharm. Company, Researcher. PT div. (JP)

My Major 蛋白質X線結晶構造解析 Protein X-ray crystallography

Reference: PDB(3VRF, f1IA7,5WKO), Noguchi et al., Angew Chem., 2015, James E. Erman et al., BBA, 2002, Kathrin H. Hopmann et al.,Ref. Mod. In Chem. Mol. Sci. and Chem. Eng., 2010 蛋白質X線結晶構造解析 Protein X-ray crystallography 創薬 Drug Discovery 産業用酵素 Applied Enzymology 蛋白質設計 De novo Protein Design 機能解明 Function understanding 分子動力学 Molecular Dynamics 基礎科学, Fundamental Science 応用科学, Applied Science

Indexing Integrate Scaling Get 蛋白質精製 Protein Purification 蛋白質結晶化 Crystallization 回折画像 Diffraction image 構造因子 Structure Factor 位相決定・精密化 Refinement 構造決定 X-ray structure • 数千のドロップを肉眼で観察するのは大変 Hard working about to observe over thousands drops. • どの結晶が良いか、初心者にはわからない It‘s difficult to select ‘good’ crystals by beginners. Reference:Art Robbins Instruments, LLC.(http://www.artrobbins.com) 結晶化スクリーニング Crystallization Screening 結晶観察 Crystal Observation

• 多くのアカデミアや, スタートアップ企業への導入は容易ではない. Not suitable for common academic laboratories and startup companies. Rock Imager2 (Formulatrix) CrysCam (ARI Instrument) Price: >1000万円 >300万円 Plate Capacity: 2 1 Can multiuser see the images?: No -- Manage plates?: Yes No Easy add external function?: No No Reference: FORMULATRIX (http://www.formulatrix.com), Art Robbins Instruments, LLC.(http://www.artrobbins.com) (Noguchi, Voet. will be submitted) 世界中の創薬研究と蛋白質科学研究の民主化を推し進めるため, DIY結晶観察装置Beagleを開発 Development of Beagle to bottom up for drug discovery and protein science in the world.

• スクラッチ開発 Scratch development • 設計要件, Design Requirements - できる限り安く As cheaply as possible - 市販品以上のプレートキャパシティを持つ More plate capacity than commercial product - マルチユーザーが結果を同時に見ることができる Everyone can see results, not only single user - プレート管理機能を持つ Plate management function - OSS/OSHで開発し, 集合知で未来を切り開く. Developed by OSS/OSH and with future sustainability Design of Beagle (Noguchi, Voet. will be submitted) Reference: Autodesk. Fusion360 (http://www.Autodesk.co.jp) CAD（非公開, undisclosed）

Beagle system architecture (Noguchi, Voet. will be submitted) Architecture（非公開, undisclosed ）

Control via Web app. • すべてコントロールを一つのWebアプリで Everything via the one web app. • “シンプル・イズ・ベスト” Concept: “Simple is best” (Noguchi, Voet. will be submitted) Web App. UI（非公開, undisclosed ）

(Noguchi, Voet. will be submitted) Machine Action Video（非公開, undisclosed ）

Rock Imager2 (Formulatrix) CrysCam (ARI Instrument) Beagle (me) Price: >1000万円 >300万円 10-13万円 Plate Capacity: 2 1 6 Can multiuser see the images?: No -- Yes Manage plates?: Yes No Yes Easy add external function?: No No Yes (Noguchi, Voet. will be submitted) Reference: FORMULATRIX (http://www.formulatrix.com), Art Robbins Instruments, LLC.(http://www.artrobbins.com) Machine （非公開, undisclosed）

• 数千のドロップを肉眼で観察するのは大変 Hard working about to observe over thousands drops. • どの結晶が良いか、初心者にはわからない It‘s difficult to select ‘good’ crystals by beginners. Current status (Noguchi, Voet. will be submitted)

Future plan • どの結晶が良いか、初心者にはわからない It‘s difficult to select ‘good’ crystals by beginners. • ディープラーニングによる結晶画像認識 Protein crystal recognition by deep learning (Noguchi, Voet. will be submitted) Future Architecture （非公開, undisclosed ）

Beagleの開発をしていて気づいたことがあります.

今回Beagleを創るときに使った道具を使えば, 現場発展型でLab. Automationが進むのでは？ “ラボDIYものづくり”による, Lab. Automation ラボDIYものづくりの“三種の神器”

1. デジタル工作機器, Digital machines for fabrication Reference: Comgrow 3d printer (http://www.comgrow3d.com), Trotec Co. Ltd. (http://www.troteclaser.com), AVALON TECH Co. Ltd. (http://www.avalontech.jp) 3Dプリンター 3D-Printer CNC工作機械 CNC machine CO2 レーザーカッター CO2 laser cutter

3Dプリンター 3D-Printer CO2 レーザーカッター CO2 laser cutter (Noguchi, Voet. will be submitted) Machine （非公開, undisclosed） Reference: Comgrow 3d printer (http://www.comgrow3d.com), Trotec Co. Ltd. (http://www.troteclaser.com)

2. IoT機器, IoT devices Raspberry Pi Arduino M5Stick Reference: The Raspberry Pi Foundation (http://www.raspberrypi.org), Arduino Foundation (http://www.Arduino.cc), SwitchScience (https://www.switch-science.com/catalog/3647/), Web camera Water sensor Temperature sensor

3. プログラミング言語, Programming language

Reference:Mike May, Nature, 2019 The DIY approach is suitable for future Supp. Video 1

Summary • 構造生物学の民主化のため, DIY蛋白質結晶観察装置Beagleを開発した. For the democratization of structural biology, I developed a DIY protein crystal observation machine, Beagle. • デジタルファブリケーションの三種の神器を用いた, ラボDIYモノづくりは有望で無限の可 能性を有する. Using the three stuffs of digital fabrication, lab DIY manufacturing is promising. 現場の研究者が気がるにラボDIYものづくりを行えるよう, その知識体系やプラットフォームの整備と展開が今後必要. It is necessary to develop the knowledge system and platform to enable researchers to do DIY manufacturing. ラボDIYものづくりで, かゆいところに手が届くLab Automationを！

Acknowledgements • 全てのオープンソースソフトウェア, オープンソースハードウェア開発者 All developers of Open Source Software and Open Source Hardware. • インターネット上に技術情報を公開してくださったすべての著者 All authors who wrote technical articles on the internet. • LADEC2020運営の皆様 All staffs of LADEC2020 • KU LEUVEN (Belgium) The laboratory of biomolecular modelling and design Prof. Arnout Voet

おわり Fin.