Вход не выполнен
Войти
Федеральный интернет-портал

Система удаленного доступа к комплексу роботизированной кристаллизации макромолекул

(НБИК-Центр НИЦ «Курчатовский институт»)

 

Комплекс роботизированной кристаллизации макромолекул, функционирующий в отделении "Белковая фабрика" НБИК-Центра НИЦ "Курчатовский институт", является уникальным и единственным в РФ комплексом подобного уровня (Рисунок 1). Данный комплекс позволяет в полуавтоматическом режиме проводить тотальный скрининг условий кристаллизации белков (и/или их комплексов) за разумное время.

Рисунок 1 - Комплекс роботизированной кристаллизации белков

Основными преимуществами данного комплекса являются:

  • Значительное ускорение рутинной операции перебора условий кристаллизации белков;
  • Существенную экономию экспериментального материала;
  • Отсутствие случайных ошибок, вызванных «человеческим фактором».

Описание комплекса роботизированной кристаллизации макромолекул

В настоящее время, у организаций, заинтересованных в проведении работ в области скрининга условий кристаллизации различных объектов, появилась возможность использовать функционал данного комплекса путем удаленного доступа к его ресурсам.

В рамках реализации данной возможности была создана система, обеспечивающая удаленное планирование эксперимента, проведение работ на комплексе роботизированной кристаллизации и дистанционного обучения работы на ней (Рисунок 2).

Рисунок 2 - Структура аппаратной части комплекса.

Структура комплекса роботизированной кристаллизации макромолекул

Комплекс состоит из нескольких компонент, выполняющих различные функции, объединенных управляющим сервером. Основными компонентами комплекса являются:

  1. Робот Alchemist (Рисунок 3). Обеспечивает создание кристаллизационных растворов по заданному рецепту и/или коммерческих вариантов.

    2. Рисунок 3 - Робот Alchemist.

    Видеоролик о работе устройства на YouTube

  2. Робот Phoenix (Рисунок 4). - Обеспечивает заполнение кристаллизационных планшетов необходимыми ингридиентами по заданным протоколам. Использует ультрамалые количества экспериментального материала (100 нл).

    3. Рисунок 4 - Робот Phoenix

    Видеоролик о работе устройства на YouTube

  3. Инкубаторы Gallery и робот Minstrell (Рисунок 5). Инкубаторы обеспечивают хранение заполненных кристаллизационных планшетов при заданных температурах (в настоящий момент: 20 С и 4 С). Робот обеспечивает фотосъемку высокого разрешения кристаллизуемых планшетов по заданному расписанию с занесением в общую базу данных.

    4. Рисунок 5 - Инкубаторы Gallery (по краям) и робот Minstrel (в центре)

    Видеоролик о работе устройства на YouTube

Архитектура системы удаленного доступа к ресурсам комплекса и обучения работы на нем

Условно систему можно разделить на две части: обучающую и экспериментальную.

Обучающая часть содержит:

  • Библиотеку литературы по тематикам, связанным с кристаллизацией макромолекул и смежными областями (с возможностью дополнения собственным материалом);
  • Руководства пользователя отдельными компонентами комплекса роботизированной кристаллизации;
  • Инструкции и методики работы с комплексом и обучения на нем;
  • Симулятор работы с системой просмотра и анализа результатов эксперимента;
  • Учебные фильмы, демонстрирующие приемы подготовки препаратов и работу комплекса в ходе реального эксперимента;
  • Систему тестов для контроля закрепления материала и доступа к экспериментальному оборудованию.

Экспериментальная часть позволяет:

  • Хранить данные о пользователе (его проектах, объектах, сценариях и пр.);
  • Планировать реальный эксперимент;
  • Контролировать ход эксперимента (включая управление комплексом);
  • Производить мониторинг результатов эксперимента в реальном времени.

В архитектуре разработанной системы можно выделить четыре связанных между собой основные компоненты: систему дистанционного обучения, систему подготовки и ведения эксперимента, систему дистанционного просмотра результатов эксперимента и симулятор работы системы дистанционного просмотра результатов эксперимента.

Интерфейс системы является адаптивным и его отображение зависят от прав и роли пользователя. Однако общая структура интерфейса является единой для всех пользователей и состоит из функционального меню (Рисунок 6). Нажатие на любую из иконок открывает соответствующее окно.

Рисунок 6 - Общая структура интерфейса системы

Система дистанционного обучения

Система предназначена для создания, хранение и управления обучающими материалами, включая видео-аудио материалы, шаблоны алгоритмов взаимодействия с системой, обучающие виртуальные туры, интерактивное тестирование. Система состоит из трех подсистем: "цифровая библиотека", "контроль знаний" и "организация учебного процесса". Эти подсистемы являются независимыми и могут быть разделены. Применение современных технологий разработки программного обеспечения позволяет интегрировать подсистемы других разработчиков. Система дистанционного обучения может быть использована для формирования цифровой библиотеки учебных материалов, проведения экзаменационных мероприятий, формирования расписания и разграничение доступа к цифровым объектам. Вид цифровой библиотеки системы обучения показан на Рисунке 7.

Рисунок 7 - Структура цифровой библиотеки

Расширенная библиотека системы обучения содержит следующие разделы:

  • Литературу, содержащую научные материалы по кристаллизации и смежным тематикам (рентгеноструктурный анализ, кристаллография, визуализация данных и др.);
  • Руководства пользователя отдельными компонентами комплекса роботизированной кристаллизации;
  • Инструкции и методики работы с комплексом и обучения на нем;
  • Учебные фильмы, демонстрирующие приемы подготовки препаратов и работу комплекса в ходе реального эксперимента.

Система подготовки и ведения эксперимента

В системе подготовки и ведения эксперимента после прохождения авторизации, пользователю доступна работа с подсистемами бронирования, подсистемой учета образцов и подсистемой анализа результатов эксперимента.

Подсистема бронирования предназначена для заказа времени работы (сессии) с роботом. В заказе указывается категория работы, время и продолжительность сессии (Рисунок 8). После заказа администратор прибора подтверждает выбранное время или переносит/отменяет сессию с уведомлением пользователя (в случае возникновения проблем).

Модуль планирования проведения экспериментов обеспечивает разграничение прав доступа и учет допущенных к эксперименту пользователей, возможность совместного доступа нескольких пользователей к одному эксперименту, учет совместного использования экспериментального оборудования при формировании расписания и поиск цифровых объектов.

Рисунок 8 - Общее расписание экспериментов

Система дистанционного просмотра результатов эксперимента

Система дистанционного просмотра результатов экспериментов, проведенных на комплексе роботизированной кристаллизации, реализована в виде отдельного веб-приложения с собственной базой данных (Рисунок 9). Система обеспечивает разграничение прав доступа к экспериментальным данным и долговременное хранение экспериментальных данных в различных (в том числе графических) форматах.

Рисунок 9 - Вид системы доступа к экспериментальным данным

Симулятор системы дистанционного просмотра результатов эксперимента

Симулятор предназначен для эмуляции системы удаленного доступа к результатам экспериментов. Он полностью копирует внешний вид и функционал системы доступа к результатам, но имеет отдельную базу данных, позволяющую проводить симуляцию в условиях защиты реальных экспериментальных данных (Рисунок 10).

Рисунок 10 - Окно входа в симулятор

Данный симулятор позволяет пользователю познакомиться с основными принципами управления процессом просмотра результатов кристаллизации, включая возможности: просмотра инспекций, манипуляций с изображениями, измерения размеров кристаллов, присвоения статуса эксперименту, оптимизации кристаллизационных условий и другое.

Интернет-адрес симулятора системы удаленного просмотра экспериментальных данных http://biocrystal.kiae.ru:2222

Основные результаты реализации проекта

В рамках реализации проекта "Создание функционирующего в режиме удаленного доступа интерактивного учебно-научного комплекса для выполнения работ на системе роботизированной кристаллизации белков" Государственный контракт №16.647.12.2027 от "24" ноября 2010 г были получены следующие основные результаты:

  1. Разработана архитектура программно-технической системы для реализации удаленного доступа к системе роботизированной кристаллизации макромолекул.
  2. Созданы протоколы и инструкции, определяющие использование средств удаленного доступа к системе роботизированной кристаллизации макромолекул, в частности:
    • Инструкция, регламентирующая последовательность выполнения работы на оборудовании комплекса в удаленном режиме;
    • Инструкция, регламентирующая процесс передачи и контроля качества экспериментальных образцов для проведения эксперимента на оборудовании комплекса;
    • Протоколы и процедуры, регламентирующие последовательность дистанционного обучения с использованием мультимедийных учебно-методических материалов.
  3. Разработано программное обеспечение, предоставляющее возможность удаленного использования системы роботизированной кристаллизации макромолекул, обеспечивающее:
    • Мониторинг состояния системы в реальном времени;
    • Разграничение прав доступа и привилегий различных типов пользователей;
    • Контроль кристаллизационных процессов с возможностью изменения ряда параметров эксперимента;
    • Сохранение результатов работы в базе данных с возможностью их последующего анализа в том числе в удаленном режиме.
  4. Создан мультимедийный учебно-методический комплекс (УМК) для обучения работе на системе роботизированного скрининга условий кристаллизации макромолекул в режиме удаленного доступа, включая:
    • Симулятор основных процессов работы на системе;
    • Методику представления в режиме реального времени информации о состоянии оборудования и результатов проведенных экспериментов.
  5. Создана система удаленного доступа к комплексу для роботизированного скрининга условий кристаллизации макромолекул, включающая возможность подготовки (планирования) эксперимента, его проведения и мониторинга статуса эксперимента и состояния оборудования в реальном времени.
  6. Разработан комплект методических документов по использованию системы в образовательном процессе и при проведении научных исследований, включая:
    • инструкцию по эксплуатации системы;
    • методические указания по проведению эксперимента в режиме удаленного доступа.

Рекомендации

Разработанная в рамках настоящего проекта система предназначена для обеспечения возможности свободного доступа к ресурсам комплекса широкого круга российских ученых, преподавателей, аспирантов, а также студентов профильных специальностей. Создание подобной платформы позволяет предоставить доступ заинтересованным организациям к уникальному оборудованию, тем самым консолидируя профильные научные центры в единую сеть, что должно способствовать повышению эффективности их работы. Созданная система удаленного доступа может быть использована в образовательных целях для подготовки новых и повышения квалификации существующих кадров в профильных областях науки.

Доступ к системе осуществляется с адреса: "biocrystal.kiae.ru"

Для работы с системой необходимо пройти регистрацию. После проверки регистрационных данных модератором, Вам будет выслан логин и пароль для входа.

По вопросам получения дополнительной информации и консультирования по тематикам размещаемых на портале данных необходимо отправить запрос в свободной форме на адрес электронной почты "biocrystal@kiae.ru".

 

 

Версия для печати
Дата обновления: 10:06 29.09.2011		Обсудить на открытом форуме
Обсудить на форуме участников ННС
//-->