Nanobiotehnoloģija veic diagnozi

Raugoties uz elektrisko skaitītāju, Yi Cui, ķīmiķa Čārlza Lībera Hārvardas universitātes laboratorijas maģistrantūras students, gaida pierādījumus par ievērojamu varoņdarbu vienkāršā, ultrajutīgā diagnostikā. Viņa mērķis ir prostatas vēzis. Viņa jaunais instruments ir mikroshēma ar 10 silīcija vadiem, katrs tikai 10 nanometrus (metra miljarddaļas) plats. Šie nanovadi ir pārklāti ar bioloģiskām molekulām, kurām ir afinitāte pret PSA, proteīnu, kas noteikta vecuma vīriešiem ir pārāk pazīstams kā prostatas vēža pazīme. Ja eksperiments darbosies saskaņā ar plānu, kad PSA molekulas saistās ar nanovadiem, būs nosakāms elektriskais signāls.

Cui mazgā šķīdumu, kas satur prostatas vēža proteīnus virs mikroshēmas. Tūlīt mērītājs reģistrē smalkas izmaiņas, norādot ne tikai to, ka ierīce ir atklājusi proteīnu, bet arī to, ka tā atklāja, iespējams, tikai trīs vai četras molekulas, uzreiz un ar minimālu parauga sagatavošanu - iepriekš nedzirdēts varoņdarbs. Ietekme uz diagnostiku ir milzīga. Veiksmīgam prostatas vēža testam ir jānošķir normāls un paaugstināts proteīna līmenis. Ultrasensitīvie sensori, piemēram, Lībera sensori, varēja saskatīt vismazāko pieaugumu; turklāt viņi to varētu izdarīt lētos, vienreizlietojamos testos, kurus pacienti varētu izmantot mājās starp ārsta apmeklējumiem. Ja man būtu risks saslimt ar kādu konkrētu vēzi, es negribētu riskēt un gaidīt, kamēr dažas vēža šūnas gada laikā izaugs nekontrolējami, jo iepriekšējā pārbaudē tas netika izdarīts, saka Lībers.

Šis stāsts bija daļa no mūsu 2002. gada maija numura

• Skatiet pārējo izdevuma daļu
• Abonēt

Lai gan šī nanovadu ierīce ir tikai eksperimentāls prototips, tā ir priekšgalā arvien pieaugošajos centienos laboratorijās visā pasaulē apvienot nanoelektroniku un bioloģiju jaunā jomā, ko sauc par nanobiotehnoloģiju. Šī hibrīda disciplīna ražo dažādus rīkus — no sīku sensoru blokiem, kas var noteikt konkrētas bioloģiskas molekulas, līdz mikroskopiskām sistēmām, kas izgrebtas no silīcija, kas var nolasīt atsevišķas DNS pavedienus, kas spēj nodrošināt jaunu logu bioloģiskajām molekulām.

Ietekme uz medicīnu un biotehnoloģiju ir neskaitāma. Šīs ierīces var ne tikai izjaukt visskaistākās slimības smakas vai, iespējams, atklāt vienu Sibīrijas mēra sporu, bet arī nodrošināt daudz ātrāku un vieglāku sarežģītu slimību diagnostiku. Piemēram, tie varētu sniegt agrīnus brīdinājumus par sirdslēkmēm, kuru vizītkartes ir smalkas izmaiņas desmitiem olbaltumvielu maisījumā. Alternatīvi, viena mikroshēma varētu nodrošināt visaptverošu diagnozi no asins piliena. Un zāļu pētniekiem nanobiotehnoloģiju sīkrīki varētu nozīmēt jaunus rīkus potenciālo zāļu ātrākai atklāšanai un novērtēšanai, vienlaikus pārbaudot miljoniem dažādu zāļu kandidātu. Dažu no šiem ambiciozākajiem mērķiem, visticamāk, būs vajadzīgi gadi, lai sasniegtu, bet nanobiotehnoloģijas rezultātā var tikt izveidotas reālas ierīces, kas apgrūtinošās laboratorijas procedūras sāks aizstāt ar lētām, precīzām mikroshēmām jau pēc diviem gadiem.

Šie pirmie produkti — mikroshēmas, kas izveidotas, lai atklātu konkrētu slimību vai ģenētisku traucējumu kopu — jau tiek izstrādāti gandrīz divpadsmit nanobiotehnoloģiju jaunuzņēmumos. (skatiet sadaļu Veiksmes noteikšana ) . Lerijs Boks, Palo Alto izpilddirektors, Kalifornijā bāzēta startup Nanosys [ BĒRNI valdes loceklis Roberts Metkalfs ir Nanosys līdzdibinātājs un direktors. Red.], kas ir licencējis Lībera tehnoloģiju, prognozē, ka viņa uzņēmums trīs gadu laikā tirgos komerciālu sensoru, kas vispirms tiks izmantots kā pētniecības palīglīdzeklis, lai ātri pārbaudītu potenciālās zāles, bet vēlāk kā lēts, vienreiz lietojams mājas tests prostatas vēža noteikšanai un varbūt citi vēža veidi. Cilvēki runā par visiem nanotehnoloģiju brīnumiem, bet pēc tam saka, ka tas nenotiks vēl 20 gadus, saka Čads Mirkins, ķīmiķis un Ziemeļrietumu universitātes Nanotehnoloģiju institūta direktors. Bet tas ir absolūti nepareizi tādām lietām kā diagnostika. Jūs redzēsiet produktus tirgū nākamo divu gadu laikā.

Spēks skaitļos

Bioloģija un elektronika jau sen pastāv atsevišķos visumos. Taču, tā kā bioloģiskās molekulas, piemēram, DNS un olbaltumvielas, ir aptuveni dažus nanometrus lielas un fiziķi un ķīmiķi tagad mācās izgatavot elektroniskas ierīces tieši tādā izmēra mērogā, šie Visumi saduras. Rezultāts ir jauna ierīču klase, kas apvieno bioloģisko molekulu spēju selektīvi saistīties ar citām molekulām ar nanoelektronikas spēju acumirklī noteikt nelielas elektriskās izmaiņas, ko izraisa šāda saistīšanās. Patiešām interesants šajā tehnoloģijā ir tas, ka tā ļauj ņemt neorganiskās sastāvdaļas, kas parasti atrodas elektriskā mikroshēmā, un apvienot tās ar bioloģiskām molekulām, saka Pols Alivisatos, Nanosys zinātniskais līdzdibinātājs un Kalifornijas Universitātes Bērklijā ķīmiķis. .

Patiešām, tādas nanoelektroniskās ierīces kā Lībera laboratorijā uzbūvētās (skat Jutīgs vads ) varētu likvidēt sarežģīto aparātu, kas tagad vajadzīgs ultrajutīgai noteikšanai. Ja vēlaties šodien laboratorijā veikt vienas molekulas noteikšanu, jums būtu nepieciešams lāzers galda garumā un daudz sarežģītas optikas, ķīmiskās etiķetes, lai pietiekami pastiprinātu signālu, lai to varētu redzēt, saka Boks.

Ja šādas īpaši jutīgas ierīces tiek samazinātas tiktāl, lai tās varētu ievietot mikroshēmās, diagnostikā varētu būt daudz pielietojumu. Piemēram, Stenfordas universitātes ķīmiķis Hongjie Dai ir izveidojis ierīci, kas var noteikt glikozi ar vienu oglekļa nanocauruli, lielu oglekļa molekulu ar izcilām elektriskām īpašībām. (skat Nanotube dators , BĒRNI 2002. gada marts) . Viņš saka, ka glikozes molekulas reaģē ar molekulām uz nanocaurules virsmas, radot elektriskus signālus, kas atbilst glikozes koncentrācijai. Lai gan šodien tas ir tikai koncepcijas pierādījums, šādu ierīci varētu izveidot par implantējamu glikozes sensoru diabēta slimniekiem. Decembrī Dai uzsāka Molecular Nanosystems Palo Alto, Kalifornijā, lai komercializētu uz nanocaurulēm balstītas ierīces, tostarp biosensorus.

Tomēr daudziem lietojumiem patiešām ir nepieciešams nevis vientuļš nanodetektors, bet gan blīvs to kopums. Tādā veidā jūs varat ātri meklēt tūkstošiem, pat miljoniem dažādu bioloģisko molekulu vienā asins vai cita ķermeņa šķidruma pilē, ļaujot diagnosticēt slimības, kurām ir sarežģītas molekulārās pazīmes. Viena no šādām slimībām ir reimatoīdais artrīts — autoimūna slimība ar daudziem variantiem, no kuriem katrs izceļas ar smalkām atšķirībām olbaltumvielu grupās. Ideālā gadījumā katrs variants tiktu apkarots ar nedaudz atšķirīgu attieksmi; praksē pret slimniekiem mūsdienās parasti izturas vienādi. Bet, saka Dai, nanomasīvs varētu kalpot kā ļoti precīza un diskriminējoša diagnostikas ierīce, nodrošinot pielāgotas ārstēšanas ceļvedi.

Šie nanodetektoru bloki sola priekšrocības salīdzinājumā ar esošajām tehnoloģijām, piemēram, DNS mikroshēmām, un tām, kas tiek izstrādātas, piemēram, proteīnu mikroshēmas. Visām šādām mikroshēmām ir nepieciešama molekulu fluorescējoša marķēšana un optiskie mikroskopi, lai noteiktu mirdzumu, kas izdalās, kad notiek saistīšanās. (skatīt DNS mikroshēmu mērķa vēzis, BĒRNI 2001. gada jūlijs/augusts) . Turklāt, lai radītu spīdumu, pie katra sensora elementa ir jāsaistās aptuveni tūkstotis molekulu. Izmantojot nanoelektroniku, nav nepieciešamas lielas, dārgas iekārtas, un ir iespējama tikai dažu molekulu tūlītēja noteikšana.

Jutīgs vads

Lai asins paraugā noteiktu ar slimību saistītu proteīnu, tikai 10 nanometrus plata silīcija stieple ir pārklāta ar biomolekulām, kas saistās tikai ar šo proteīnu (zemāk). Kad slimības proteīns saistās ar molekulu uz stieples (ielaiduma), stieples vadītspēja mainās, nodrošinot tūlītēju elektrisko signālu.

Lipīga DNS

Taču sensori ar nanomēroga funkcijām var gūt panākumus tikai tad, ja tie ir pietiekami lipīgi, lai satvertu interesējošās molekulas. Ziemeļrietumu Mirkins saskata zelta vērtību: jo īpaši nanomēroga zelta daļiņas, kurām viņš piestiprina vairākus DNS fragmentus, kas var pieķerties DNS mērķiem. Katra zelta daļiņa kļūst kā Velcro, viņš saka. Mirkins saka, ka nākamo 18 mēnešu laikā viņš kopā ar kolēģiem izveidos vienkāršu ārsta kabineta diagnostikas ierīci, kas spēj nekavējoties diagnosticēt slimības vai noslieci uz slimībām atkarībā no tā, kādi DNS fragmenti tiek izmantoti ierīcē. Mirkins saka, ka tiks veidoti mikroshēmas slimību paneļiem, tostarp seksuāli transmisīvām slimībām, cistiskajai fibrozei un ģenētiskai nosliecei uz resnās zarnas vēzi un asins hiperkoagulāciju (asinis, kas pārmērīgi sarecē).

Mirkina prototipa mikroshēma, ko izstrādā Northbrook, IL balstīta Nanosphere, uzņēmums, kuru viņš līdzdibināja, izmanto DNS, kas nogulsnēts starp mikroshēmas elektrodiem, lai atpazītu interesējošos mērķus. Paraugu sajauc ar šīm Velcro zelta daļiņām un mazgā virs mikroshēmas. Ja paraugs satur mērķa DNS, teiksim, sifilisa baktērijas ģenētiskais materiāls, DNS saistās ar šīm lipīgajām zelta daļiņām un pēc tam ar DNS fragmentiem starp elektrodiem. Zelta daļiņas aizver ķēdi un rada nosakāmu signālu. Jo vairāk elektrodu sensoru elementu vienā mikroshēmā, jo vairāk slimību vai ģenētisku predispozīciju var atklāt.

Mirkina grupa pielāgo procesu, kas pazīstams kā iegremdējamās pildspalvas nanolitogrāfija, lai iegūtu iespēju burtiski drukāt DNS molekulas starp elektrodiem tikai 200 nanometru attālumā viens no otra. Mirkins cer sapakot simtiem, pat tūkstošiem elektrodu sensoru elementu vienā mikroshēmā.

Drukāšanas molekulas Iegremdējamās pildspalvas nanolitogrāfijā molekulas tiek drukātas tieši uz mikroshēmas virsmas.

Konsoles bloki (augšpusē) nogulsnē miljoniem, pat miljardu dažādu molekulu uz virsmas; gadījumos, kad drukātās molekulas saistās ar konkrētiem gēniem vai proteīniem, mikroshēmu var izmantot slimību diagnosticēšanai vai medikamentu atklāšanai. Katras konsoles vai pildspalvas galā ir tikai dažus atomus plats silīcija gals (pa kreisi). Galam pārvietojoties uz sāniem, tā sāniem piestiprinātās molekulas tiek novilktas uz virsmu ar ūdens menisku, kas veidojas zem gala. Katras konsoles vertikālā kustība tiek kontrolēta termiski, ļaujot atsevišķām pildspalvām sākt un pārtraukt drukāšanu.

Mirkina tehnoloģija paraugā var atrast īpaši mērķētu DNS. Bet, ja jūs faktiski varētu satvert vienu DNS gabalu un tieši nolasīt tā gēnus, jūs teorētiski varētu identificēt jebkuru gēnu vai pat sarežģītus gēnu modeļus. Izmantojot rīkus, kas pielāgoti pusvadītāju ražošanai, fiziķis Harolds Kreigheds no Kornela Nanobiotehnoloģiju centra un viņa bijušais postdoktors Stīvens Tērners izveidoja silīcija mikroshēmu, kurā bija mazi kanāli, katrs 50 nanometru platumā un dziļumā. (skat DNS cauruļvads , zemāk) . Kanāls ir tik mazs, ka viena DNS virkne tik tikko var izspiesties cauri, un tas ir tikai galvenais. Elektriskais lauks liek parasti satītai DNS lodei ietriekties kanālā, attīt un vītni lejup.

Pēc satveršanas DNS ir jānolasa, lai redzētu, piemēram, vai tajā ir noteikta secība. Lai secība būtu salasāma, pētnieki paraugam iepriekš pievieno fluorescējoši iezīmētas DNS zondes; zondes saistās ar mērķa sekvencēm. Katrai DNS molekulai virzoties lejup pa kanālu, optiskais detektors identificē garām ejošās fluorescējošās etiķetes. Mēs izturamies pret DNS kā pret ierakstīšanas datu nesēju, saka Tērners, kurš tagad ir Nanofluidics prezidents, jaunuzņēmums, kas cenšas komercializēt Kornela tehnoloģiju. Un gluži kā lentes atskaņotājs, mēs spēlējam DNS. Lai gan Kornela pētnieki pašlaik izmanto ārēju optisko mikroskopu, lai nolasītu lenti, viņi cer izveidot optisko lasītāju tieši uz mikroshēmas, izmantojot optiskās šķiedras. Tērners plāno, ka tuvāko gadu laikā viņam būs darba ierīce.

Tā kā šo mazo kanālu izgatavošanas instrumenti ir balstīti uz to pašu standarta aprīkojumu, ko izmanto, lai izgatavotu silīcija mikroshēmas mikroelektronikai, Tērners plāno izgatavot nanofluidiskas mikroshēmas ar tūkstošiem un pat miljoniem kanālu un optisko šķiedru. Izmantojot šādas ierīces, Tērners saka, ka ārsti kādu dienu varētu paņemt no pacienta asins pilienu, nomest to uz mikroshēmas un ātri skenēt paraugā esošo DNS, lai noteiktu slimības ģenētiskos marķierus. Ierīce varētu arī palīdzēt ārstiem izvēlēties pacientam pareizās zāles.

DNS cauruļvads

Lai noteiktu noteiktu secību DNS virknē, pētnieki vispirms sajauc DNS ar fluorescējošām zondēm, kas pievienojas šai secībai. Pēc tam mikroshēmā (augšpusē) elektriskais lauks ievelk DNS caur kanālu, kura platums ir 50 nanometri. Iegultais optiskais lasītājs nosaka visas pievienotās zondes, identificējot secību.

DNS kontrole

Nanoelektronikas un bioloģijas laulībā ekstrēmākā vīzija ietver elektronisku sīkrīku piestiprināšanu tieši pie molekulām. Lai parādītu, kā tas varētu darboties un kāpēc tas varētu būt noderīgi, MIT Media Lab komanda, kuru vadīja fiziķis Džozefs Džeikobsons un biomedicīnas inženieris Shuguang Zhang, piestiprināja zelta daļiņas, katra tikai 1,4 nanometru diametrā, DNS gabalam. Katra zelta daļiņa kalpoja kā maza antena. Pēc tam pētnieki pakļāva DNS radiofrekvences magnētiskajiem laukiem, izraisot daļiņu uzkaršanu un divpavedienu DNS sadalīšanos divās daļās. Kad viņi noņēma magnētisko lauku, pavedieni nekavējoties sanāca atpakaļ. Tagad mums ir ļoti spēcīgs un noderīgs rīks, kas var kontrolēt lietas molekulārā līmenī, saka Džans. Pagaidām nav rīku, kas to varētu izdarīt. Ir ļoti vērtīgi spēt kontrolēt vienu atsevišķu molekulu molekulu pūlī.

Šī vērtība, piebilst postdoc Kimberly Hamad-Schifferli, lielā mērā izriet no iespējamās spējas ieslēgt un izslēgt gēnus. Lai to izdarītu, MIT pētnieki varēja pievienot DNS fragmentus zelta daļiņām. Pievienojot DNS paraugam, fragmenti saistās ar komplementārām gēnu sekvencēm, bloķējot šo gēnu aktivitāti un efektīvi tos izslēdzot. Magnētiskā lauka pielietošana pēc tam sasildītu zelta daļiņas, izraisot to pievienoto DNS fragmentu atdalīšanu, faktiski atkal ieslēdzot gēnus. Šāds rīks varētu dot farmācijas pētniekiem iespēju simulēt potenciālo zāļu iedarbību, kas arī ieslēdz un izslēdz gēnus. MIT nesen licencēja tehnoloģiju biotehnoloģiju starta uzņēmumam Waltham, MA balstītam engeneOS.

Lai gan DNS tālvadības pults var izklausīties vairāk kā salona triks, nevis kaut kas, ko varētu izmantot jūsu ārsts, šādi eksperimenti pierāda, ka nanoelektronika var spēcīgi mijiedarboties ar bioloģiju. Materiāli, piemēram, nanovadi un nanocaurules, ko pēdējos gados plaši pētījuši fiziķi un ķīmiķi, tagad ir biomedicīnas inženieru, piemēram, MIT Džan, rokās, un tiem ir milzīga ietekme uz visu, sākot no zāļu atklāšanas līdz slimību, piemēram, prostatas vēža, diagnostikai. Lai gan ir grūti paredzēt uzvarētājus starp šīm daudzajām tehnoloģijām, Berkeley's Alivisatos, piemēram, saka, es domāju, ka visas šīs lietas atradīs konkurētspējīgas nišas.

Ātra, lēta mikroelektronika radīja revolūciju skaitļošanas un informācijas tehnoloģiju pasaulē. Joprojām nav skaidrs, vai nanoelektronika var mainīt medicīnu. Taču plaisa starp elektroniku un bioloģiju strauji samazinās, un biomedicīnas pētniekiem un pat ārstiem drīzumā būs rīki, lai pārbaudītu dzīvības pamatmolekulas tādā veidā, kas pirms dažiem gadiem šķita kā fantāzija.

Veiksmes sajūta
Daži nanobiotehnoloģiju uzņēmumi

Uzņēmums	Tehnoloģiju avots	stratēģija
Agilent tehnoloģijas (Palo Alto, Kalifornija)	Harvardas Universitāte	Materiāli ar nano izmēra porām DNS analīzei
engeneOS (Waltham, MA)	AR	Zelta nanodaļiņas bioloģisko molekulu tālvadībai
Molekulārās nanosistēmas (Palo Alto, Kalifornija)	Stenfordas universitāte	Oglekļa nanocaurules bioloģisko molekulu uztveršanai
Nanofluidika (Itaka, NY)	Kornela universitāte	Mikroshēmas ar nanomēroga kanāliem DNS analīzei
Nanotinte (Čikāga, IL)	Ziemeļrietumu universitāte	Dip-pen nanolitogrāfija bioloģisko molekulu un struktūru projektēšanai
Nanosfēra (Nortbruka, IL)	Ziemeļrietumu universitāte	Elektrodu/zelta nanodaļiņu detektori DNS un patogēnu noteikšanai
Nanosys (Palo Alto, Kalifornija)	Harvardas Universitāte	Nanovadi bioloģisko molekulu uztveršanai
SurroMed (Mountain View, CA)	Pensilvānijas štata universitāte	Nano svītrkodi bioloģisko molekulu marķēšanai
ASV genomika (Voburna, MA)	ASV genomika	Nanokristālisks režģis DNS analīzei

paslēpties