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无纸化实验室演进记
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Chris Tachibana /文 高大海 姜天海/译
纸质笔记本看起来似乎能够永久保存。毕竟，古登堡版圣经自15世纪就留存至今。
但纸张不是完美的。真实事例摆在眼前：在澳大利亚一所大学，装订好的书籍在搬移中散开，保存了30年的笔记本变成了一堆散落的纸片。在美国，一名博士后梳理了数天，才从三孔活页夹中找到了审稿人需要的实验细节。而无纸化的正面例子是，一家瑞士合作生产组织实时在线地展示了客户样品的色谱反应，客户对此倍加赞赏。
电子实验室工具已经优势十足，然而科学家还是不愿意采用。数字化最主要的障碍在于成本，改变工作习惯的动力以及让人望而生畏的可选种类。
始于何处
对于实验室信息化的初学者来说，LIMSwiki是绝佳的开始。实验室信息化研究所是LabLynx公司（基于浏览器的研究管理软件商）在2006年成立的商业机构，提供在线社区服务资源。LabLynx强调透明性，如定价，LIMSwiki可提供的价格都在最新的供应商描述中。“我们尽力保持中立，避免营销和自我推销。wiki是一个逐步发展的工具，我们也一直在找寻高质量的提供者。”LIMSwiki负责人Shawn Douglas表示。
LIMSwiki对这些术语进行了定义，例如ELN（通常用于记录实验数据）和LIMS（传统上用于追踪标准化流程，如生产）。然而信息化产品间的区别是模糊的，罗氏公司优质生产规范与计算机系统验证协调员Markus Dathe说，因为“正在出现技术的结合”。ELNs、LIMS和设备软件在不断地扩展功能，互相联系、交错。信息化软件包持续地瞄准覆盖研发项目的全生命周期，包括试剂库存、监管形式、工作需求以及实验细节。然而，许多研究者从小规模起步，使用自我搭建的、带有实验步骤文本文档和电子数据文件的ELN。
“从科学家到课题组长再到实验管理者，所有人都看到了ELNs的价值。”Accelrys公司软件研发部高级主管Erik Alsmyr说，该公司的ELNs（之前为Contur公司的iLabber）可以用于小型到中等规模的研究组。Alsmyr说大部分实验室起初都采用通用的组织和共享软件，如Evernote或SharePoint，之后他们会意识到需要更多的存储能力或知识产权保护。对于你的电子记录，电子系统提供7天24小时的全球权限，Alsmyr说，大多数商业化ELNs都符合电子记录的法规要求。例如，《美国联邦法规》第21篇第11部分，其中包括美国食品药品监督管理局的要求，以及面向欧洲市场的欧盟附录11条。
然而，尤其是在大学，研究人员的接受速度仍然较慢。这就是为什么LabArchives公司在提供具有更大存储及特性的凝胶成像之外，要提供免费的ELN版本。“我们的调查发现，在学术界，约95%的科学家仍然在使用纸质的实验记录本。”LabArchives公司首席执行官Earl Beutler说道。Beutler的整个家族都是科学家（包括一位诺贝尔奖获得者），他认为实验室应该走向数字化时代了。他说，“我这辈子都在与那些精通技术的天才科学家打交道，然而令我吃惊的是，他们最先进的做法依然是拍照，打印出来，然后把它贴在纸质的实验记录本上。”
当高校意识到黏合剂会失效，笔记本电脑中的记录没有最强的知识产权保护时，他们开始购买覆盖整个系所的信息化站点许可，Beutler说。这样就为科学家扫清了成本障碍，确保正确地归档潜在的专利成果。LabArchives的目标群体也包括没有纸张依赖症的群体：学生。“我们的许多用户都是从事教学工作的研究者，因此我们应他们的需求开发了课堂ELN。”Beutler表示，“这样教师在提供背景信息和评判作业时，都能做到电子化。目前使用的最大课堂超过2000名学生。”
学术研究者Tammy Morrish从第一天起就开始使用数字化工具，她在Labguru上搭建了自己的实验室，这是一个基于网络的研究管理系统。作为一名博士后，Morrish有一个自己搭建的项目资源数据库，然而当她在托莱多大学生化与癌症生物学系开始助理教授生涯时，她需要一个更高级的可共享系统。这是构建新系统的最好时机，她说，因为你了解项目可以使用的所有的小鼠、细胞系和质粒。
Morrish对Labguru的客户服务评价很高，称这一系统节约了大量时间。它通过将产品数量、供应商和当前订单放在一起，将订购流程化，她说。Labguru保存了实验室小鼠的所有基因型，以及包括图谱的质粒信息。Morrish认为该系统对于定位物品来说尤其有用。“想想看我们在找东西上浪费了多少时间。”她说，“现在我一需要找东西时，即使不问其他人，也能在数据库中输入名称并找到它。”她接着说，“当然，人们需要将找到的东西放回原处。”她的实验室有一名实验员每周定期比对数据库检查库存。
在更高的层面上，该系统可以促进团队交流，例如通过便捷的数据交换。它也是最好的实践教学，Morrish说，“它帮助学生用任何数据库都可以掌握这一技能，你需要正确、一致地输入信息，否则就找不到它。”
可控数字化
基于科研的商业机构也十分欣赏数字化研究管理的效率，但是长期的稳定性也至关重要。“挑战在于确保数据从现在起20年的可达性和可用性。”Dathe说。选择主流的信息供应商，如IDBS、PerkinElmer或者Accelrys可能会提供较为持久的保障，但是市场是动态的，任何机构都可能面临改变。在过去的几十年间，赛默飞世尔公司收购了InnaPhase公司，PerkinElmer公司购买了Labtronics、CambridgeSoft和ArtusLabs公司，拥有漫长并购和收购史的Accelrys最近也被法国的软件公司Dassault所收购。诚然，合并后的公司仍力求保留用户。“我们依然拥有自上世纪90年代就研发出来的软件，我们也经常会为客户指明前进的道路。”Accelrys公司高级副总裁Leif Pedersen说。
尽管如此，产业界并不都采用实验室信息化系统。但即使是食品药品监督管理局这样的机构都鼓励使用电子文档，Dathe说，“制药厂商通常都比较保守，它们认为已经被监管机构所接受的纸质系统通常更容易、更便宜。”
丹麦的LEO制药厂的信息化探索与数据管理部负责人Ulrik Nicolai de Lichtenberg研发了一种致力于商业信息化系统的模型。他说，起初是利益相关者的深入分析。定义出你的需求、目标和“能承受多大的痛苦”，也就是使用新系统所要耗费的时间、金钱和努力。要意识到你的ELN或者LIMS只是信息生态系统的一部分。LEO制药厂为其药物化学研发部门选择了Accelrys公司的ELN，但ELN只是de Lichtenberg团队设计的整套复杂的基础设施中的一个元素。他们的系统会捕获、验证并永久存储记录，一旦发生知识产权诉讼，这些记录将会易于获取、搜索并能够提供法律依据。这是一项复杂的计划，de Lichtenberg建议从独立顾问那里寻求建议，因为他们懂得不断变化的信息化市场。
“云”端之上
Atrium研究咨询公司首席执行官Michael Elliott为de Lichtenberg提供建议，并支持他的方法。他说，“不要迷恋于一个示范产品，要向深层次看，检验信息化系统的潜在能力。”客户们的理想系统能够流程化管理、确保存储的安全持久，同时快速检索所需信息。一个理想的系统甚至能够找到“暗数据”（能够回答目前研究问题的早期数据，但是淹没于杂乱的数据中）。客户需要的是可扩展性、用户友好的界面和杰出的全球支持。然而，不同产品在这些能力上存在差异，Elliott说，“不要只依靠宣讲和品牌名称来做选择，而要仔细考虑你当前和未来的需求。”
如果可扩展性和易于使用性是第一需要，那么可以选择基于云的系统，如Core Informatics。原则上来说，云系统可以存储无限量的数据，而且网络浏览器的接入方式为用户提供熟悉的界面。基于浏览器的系统不需要专门的软件，因此也易于升级。信息化供应商也提供了用户友好的模块化软件包。类似于选择手机应用，用户仅需要选择他们所需的组分。
同时进入视线的entire有更好的移动性和兼容性。研究者现在都携带智能手机和平板电脑进入实验室，因此信息化研发者正在打造与手持设备兼容的产品。数据日益需要在不同的设备和信息化平台上汇编，因此，Pedersen表示，他个人正在推动促进信息共享的标准化提升工作。然而，曾经的现实主义者Elliott也表示，标准化的进程也十分缓慢，因为即使是在同一个部门，用户也可能采用不同的术语和定义。Elliott说，推动科学信息标准化和数据集成优化的驱动力，“是走向更加协作的工作”。
在信息化提升的愿望清单上，Dathe加入了数据的背景特性，即该数据何时何地被哪项研究采集。数据应该与相关的分子和临床信息以及整个数据产生过程相链接，包括使用仪器的类型和状态。Dathe说，“没有这些背景，我们所采集的海量数据将毫无意义。”
开放的心态
调整海量数据规模是Britt Piehler的工作，作为LabKey软件公司的总裁，他开发了用于数据管理和整合的工具。他说，全球化和多点合作的趋势意味着，项目经理必须要协调从各个站点、在多样环境下、以各种仪器采集的数据。“这正是LabKey起作用的地方。”Piehler说，“我们为具体任务打造工具，通常是为多点合作计划打造的数据整合，这些计划需要对各种各样的数据进行标准化。”LabKey软件公司的一个不寻常特性就是其产品是开放源码。
“我们成长于学术群体。”LabKey公司科学拓展部主任Elizabeth Nelson说，“因此我们相信软件平台的优势在于免费获取。”开源代码使得研究者可以量身定做他们的系统，Piehler说，LabKey工具的构建和分享形成了一个社区。
如果代码是免费的，那么LabKey提供什么呢？“定制化”，Piehler说。LabKey软件公司的专家可以打造出直接解决Dathe数据背景需求的工具，例如加入人口统计信息。在2013年8月，开源和开放获取通过LabKey相结合，以提升科学的透明性和再现性。在一项发表于《新英格兰医学杂志》上的脉管炎治疗临床试验中，利用LabKey的开源平台搭建网络入口，免费向公众开放除去了参与者识别信息的数据。
对于那些致力于透明化和自己动手（DIY）的研究者来说，开源工作流程管理工具是一项选择。加州大学圣克鲁兹分校生态与进化学博士后研究员Carl Boettiger已经经历了完整的DIY实验室记录本之旅。起初Boettiger将可开放获取的实验记录保存在OpenWetWare平台上。“这有点激进”，Boettiger说，“任何人都能进入并且编辑他人的笔记，尽管这不常发生。”在OpenWetWare之后，Boettiger转向了能让他加强控制自己的研究记录的平台，这次是通常用于发表博客的WordPress平台。Boettiger目前使用在线软件开发网站GitHub作为他的记录本，并利用Jekyll网站生成软件在线发表他的记录本。
博客型的ELN为你的研究建立了强大的历史保险柜，Boettiger说。这将使欺骗无所遁形，因为任何改变都会留下记录。你可以选择公开、隐私的内容并受密码保护。他说，当你在学术会议上与人交谈或回复审稿人的要求时，你可以直接在手持设备上调出记录，回顾你在何时做了哪些尝试，以及如何做出来的。
下一步呢？
Boettiger说，“实验记录趋向开放性和协作，更安全，更加自动化。”Boettiger和Dathe分别是圣克鲁兹的生态学家和巴塞尔的药物研发和信息技术专家，尽管他们的观点应该有所不同，但是他们对于未来实验室有着近乎科幻的一致观点。在这个愿景中，科学家只管做他们的工作，自动跟踪系统就会同时记录数据。条形码会标明使用的试剂、样品和仪器，为数据的后续分析提供背景。整个的过程也将被记录下来，展现出每个字节的出处，并最终建立知识产权的声明。“这将提供更广泛的数据记录，只要你愿意就可以透明化并可以分享。”Boettiger说。一个完全自动化的系统能够不用人工数据输入就可以采集实验细节，使研究简化。然后，我们所需要的只是将试剂归位的机器人。■
Chris Tachibana 是美国西雅图和丹麦哥本哈根的科学作家。
鸣谢：“原文由美国科学促进会（www.aaas.org）发布在2014 年7 月25 日
《科学》杂志”。官方英文版请见http://www.sciencemag.org/site/products/lst_20140725.xhtml。
鸣谢：“原文由美国科学促进会（www.aaas.org）发布在2014 年7 月25 日
《科学》杂志”。官方英文版请见http://www.sciencemag.org/site/products/lst_20140725.xhtml。
（译者之一高大海系中国科学院海洋研究所助理研究员）
《科学新闻》 (科学新闻2014年12月刊 科学·生命)
https://blog.sciencenet.cn/blog-85876-857595.html
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