Ūdens šķūrēšana

Jaunā mikrofluidiskā mikroshēma, ko izgatavojis Fluidigm, starta uzņēmums Dienvidsanfrancisko, ir secīgu izgudrojumu desmitgade. Šis mazais porainā polimēra kvadrāts — tāds pats tips, ko izmanto kontaktlēcās un logu blīvēšanai — satur sarežģītu mikroskopisku kanālu, sūkņu un vārstu tīklu. Neliels šķidruma daudzums, piemēram, no asins parauga, var plūst caur kanālu labirintu, lai tos atdalītu ar vārstiem un sūkņiem gandrīz 10 000 mazās kamerās. Katrā kamerā var analizēt šķidruma nanolitrus (miljardās daļas no litra).

Lab uz mikroshēmas : Fluidigm mikrofluidiskā mikroshēma (pelēks kvadrāts centrā) izmanto sīkus kanālus un vārstus, lai manipulētu ar šķidrumiem. Tas nodrošina ātru un jutīgu biotestu veikšanu

Spēja mikroskopiskā mērogā pārvietot šķidrumus ap mikroshēmu ir viens no iespaidīgākajiem bioķīmijas sasniegumiem pēdējo 10 gadu laikā. Mikrofluidiskās mikroshēmas, ko tagad ražo nedaudzi jaunuzņēmumi un līdzīgs skaits universitāšu lietuvju, ļauj biologiem un ķīmiķiem precīzi un ļoti automatizēti manipulēt ar nelielu šķidruma daudzumu. Iespējamie lietojumi ir daudz, tostarp rokas ierīces dažādu slimību noteikšanai un iekārtas, kas var ātri analizēt daudzu atsevišķu šūnu saturu (katra satur apmēram vienu pikolitru šķidruma), lai identificētu, piemēram, retas un nāvējošas vēža mutācijas. Bet mikrofluidika ir arī būtisks izrāviens, kā pētnieki var mijiedarboties ar bioloģisko pasauli. Dzīvība ir ūdens, kas plūst pa caurulēm, saka Džordžs Vaitsaids, Hārvardas universitātes ķīmiķis, kurš ir izgudrojis lielu daļu no mikrofluidikā izmantotajām tehnoloģijām. Ja mūs interesē dzīve, mums ir jāinteresē šķidrumi mazos mērogos.

Šis stāsts bija daļa no mūsu 2010. gada janvāra numura

• Skatiet pārējo izdevuma daļu
• Abonēt

Lai izskaidrotu tehnoloģijas nozīmi un tās mikroskopiskā aparāta sarežģītību, mikrofluidikā iesaistītie bieži salīdzina mikroprocesorus un integrālās shēmas. Patiešām, mikrofluidiskajai mikroshēmai un elektroniskajam mikroprocesoram ir līdzīga arhitektūra, ar vārstiem, kas aizstāj tranzistorus, un kanāliem aizstāj vadus. Bet manipulēt ar šķidrumiem pa kanāliem ir daudz grūtāk nekā novirzīt elektronus ap integrēto shēmu. Šķidrumi ir netīri. Tos var būt grūti pārvietot, tie bieži sastāv no sarežģītu sastāvdaļu sautējuma, un tie var pielipt un izplūst.

Pēdējo desmit gadu laikā pētnieki ir pārvarējuši daudzas šādas problēmas. Bet, ja mikrofluidika kādreiz kļūs patiesi salīdzināma ar mikroelektroniku, tai būs jāpārvar daudz biedējošāks izaicinājums: pāreja no daudzsološa laboratorijas instrumenta uz plaši izmantotu komerciālu tehnoloģiju. Vai to var pārvērst par produktiem, ko vēlēsies izmantot zinātnieki, medicīnas tehniķi un ārsti? Biologi arvien vairāk interesējas par mikrofluidisko sistēmu izmantošanu, saka Whitesides. Bet viņš piebilst, vai jūs ieejat laboratorijā un atrodat šīs ierīces visur? Atbilde ir nē. Interesanti ir tas, ka tas nav īsti pacēlies. Jautājums ir, kāpēc ne?

Pārskatītās lietas

• Biomark 96.96 Dynamic Array

  Fluidigma

  
  
  

• Tehnoloģiju būtība: kas tā ir un kā tā attīstās

  V. Braiens Artūrs
  Brīvā prese, 2009

Līdzīgu jautājumu tikpat labi varētu uzdot par vismaz divām citām svarīgām tehnoloģijām, kas radušās pēdējās desmitgades laikā: uz genomu balstīto medicīnu un nanotehnoloģiju. Katrs no tiem sāka šo gadsimtu ar nozīmīgiem sasniegumiem un lielu popularitāti. Par cilvēka genoma sekvencēšanu pirmo reizi tika paziņots 2001. gada sākumā; Nacionālā nanotehnoloģiju iniciatīva, kas palīdzēja uzsākt lielu daļu mūsdienu nanotehnoloģiju pētījumu, saņēma pirmo federālo finansējumu 2000. gadā. Lai gan visas trīs tehnoloģijas ir radījušas virkni jaunu produktu, nevienai no tām nav bijusi tāda pārveidojoša ietekme, kādu gaidīja daudzi eksperti. Kāpēc ir nepieciešams tik ilgs laiks, lai tik acīmredzami svarīga un vērtīga tehnoloģija kā šīs panāktu ietekmi? Kā jūs veidojat populārus produktus no radikāli jaunām tehnoloģijām? Un kā jūs piesaistāt potenciālos lietotājus?

Pacietība, pacietība
Neskatoties uz tehnoloģiju ekonomisko, sociālo un zinātnisko nozīmi, tās radīšanas process ir slikti izprotams. Jo īpaši pētnieki ir lielā mērā ignorējuši jautājumu par to, kā tehnoloģijas attīstās laika gaitā. Tas ir V. Braiena Artūra grāmatas The Nature of Technology sākumpunkts, mēģinājums izstrādāt visaptverošu teoriju par to, kas ir tehnoloģija un kā tās attīstās. Artūrs sāka strādāt Stenfordas universitātes bibliotēku krāvumos. Kad es sāku lasīt, es biju pārsteigts, ka daži no galvenajiem jautājumiem nebija ļoti dziļi pārdomāti, viņš atcerējās nesenā intervijā. Lai gan daudz ir rakstīts par tehnoloģiju un inženierzinātņu socioloģiju un ir daudz par dažādu tehnoloģiju vēsturi, viņš teica, ka literatūrā ir lielas nepilnības. Kā tehnoloģija patiesībā attīstās? Kā jūs definējat tehnoloģiju?

saite

Patentu karte, ko izveidojusi IPVision, kas atrodas Kembridžā, MA, parāda daudzus galvenos Stīvena Kveika un Fluidigm izgudrojumus pēdējo desmit gadu laikā, kas padara iespējamus uzņēmuma mikrofluidiskās mikroshēmas. Laika skala parāda vairākus galvenos sākotnējos sasniegumus un to, kā mūsdienu mikrofluidika izmanto gan mikroražošanas, gan bioķīmijas sasniegumus. Šāds sarežģīts izgudrojumu tīkls nav nekas neparasts jaunu tehnoloģiju korpusu izstrādē.
Kredīts: IPVision

Artūrs tehnoloģiju jomā cer paveikt to, ko Tomass Kūns savā 1962. gada grāmatā The Structure of Scientific Revolutions (Zinātnisko revolūciju struktūra) aprakstīja, kā rodas zinātnes sasniegumi un kā tie tiek pieņemti. Galvenā Artura argumentācijas daļa ir tāda, ka tehnoloģijai ir savas īpašības un raksturs un ka tā pārāk ilgi tiek uzskatīta par zinātnei pakļautu vai vienkārši kā lietišķo zinātni. Zinātne un tehnoloģija ir pilnībā savstarpēji saistītas, taču atšķirīgas, viņš saka: Zinātne ir saistīta ar fenomenu izpratni, turpretim tehnoloģija patiesībā ir parādību izmantošana un izmantošana. Viņi veidojas viens no otra.

Artūrs, bijušais Stenfordas ekonomikas un populācijas pētījumu profesors, kurš tagad ir Santafē institūta ārštata profesors un Palo Alto pētniecības centra viespētnieks, iespējams, ir vislabāk pazīstams ar savu darbu pie sarežģītības teorijas un ar pieauguma analīzi. atdevi, kas palīdzēja izskaidrot, kā viens uzņēmums dominē jaunas tehnoloģijas tirgū. Tas, vai viņš izpilda savu mērķi formulēt stingru tehnoloģiju teoriju, ir apstrīdams. Tomēr grāmata piedāvā detalizētu tehnoloģiju īpašību aprakstu, kas papildināts ar interesantiem vēsturiskiem sīkumiem. Un tas nodrošina kontekstu, kurā sākt izprast bieži vien darbietilpīgos un ilgstošos procesus, kuros tehnoloģijas tiek komerciāli izmantotas.

Īpaši vērtīgi ir Artura ieskati par to, kā dažādas tehnoloģiju jomas attīstās atšķirīgi, salīdzinot ar atsevišķām tehnoloģijām. Domēni, kā tos definējis Artūrs, ir tehnoloģiju grupas, kas sader kopā, jo izmanto kopīgu parādību. Elektronika ir domēns; tās ierīces – kondensatori, induktori, tranzistori – visas strādā ar elektroniem un tādējādi dabiski sader kopā. Tāpat fotonikā lāzeri, optiskās šķiedras kabeļi un optiskie slēdži manipulē ar gaismu. Tā kā atsevišķa tehnoloģija — teiksim, reaktīvais dzinējs — ir izstrādāta konkrētam mērķim, domēns ir noderīgu komponentu rīku kopums — tehnoloģiju kopums —, ko var izmantot daudzās nozarēs. Ir izgudrota tehnoloģija, raksta Artūrs. Domēns pa gabalu veidojas no atsevišķām tā daļām.

Atšķirība ir būtiska, viņš apgalvo, jo lietotāji var ātri pieņemt individuālu tehnoloģiju, lai aizstātu esošās ierīces, turpretim potenciālie lietotāji saskaras ar jauniem domēniem, kuriem jāmēģina tos izprast, izdomāt, kā tos izmantot, noteikt, vai tie ir vērtīgi, un izveidot tām lietojumprogrammas. Tikmēr tiem, kas izstrādā jaunos domēnus, ir jāuzlabo rīku komplektā esošie rīki un jāizgudro trūkstošie elementi, kas nepieciešami jaunām lietojumprogrammām. Tas viss parasti aizņem gadu desmitus, saka Artūrs. Tas ir ļoti, ļoti lēns process.

Artūrs tikai īsi pieskaras tam, ka šī jaunā tehnoloģiju kopuma evolūcija bieži vien tiek saskaņota ar vēl pazīstamāku progresu: entuziasmu par jaunu tehnoloģiju, investoru un lietotāju vilšanos, jo tehnoloģija nespēj izturēt hiperbolu, un lēni. Atkārtota parādīšanās, kad tehnoloģija nobriest un sāk apmierināt tirgus vajadzības.

Risinājums, kas meklē problēmas
Deviņdesmito gadu beigās mikrofluidika (vai, kā to dažkārt sauc, mikroshēmas laboratorijas tehnoloģija) kļuva par kārtējo pārspīlēto progresu laikmetā, kas par tiem bija bēdīgi slavens. Advokāti runāja par mikroshēmu potenciālu. Taču ierīces nevarēja veikt sarežģītās manipulācijas ar šķidrumu, kas nepieciešamas daudzām lietojumprogrammām. Viņi tika reklamēti kā aizstājēji visam. Tas acīmredzami neizdevās pārāk labi, saka Maikls Hunkapillers, riska kapitālists no Alloy Ventures Palo Alto, Kalifornijā, kurš tagad iegulda vairākos mikrofluidikas jaunuzņēmumos, tostarp Fluidigm. Viņš saka, ka 90. gados tehnoloģiju iespējas bija daudz mazāk universālas nekā ažiotāža.

Problēma, kā varētu teikt Artūrs, bija tā, ka instrumentu kastē trūka galveno daļu. Ievērojami starp nepieciešamajiem komponentiem bija vārsti, kas ļautu ieslēgt un izslēgt šķidrumu plūsmu noteiktās mikroshēmas vietās. Bez vārstiem jums ir tikai šļūtene; ar vārstiem jūs varat būvēt sūkņus un sākt domāt par veidiem, kā būvēt santehniku. Problēma tika atrisināta Stīvena Kveka laboratorijā, kas toreiz bija Caltech lietišķās fizikas profesors un tagad Stenfordas bioinženierijas nodaļā. Quake un viņa Caltech kolēģi atrada vienkāršu veidu, kā izgatavot vārstus mikrofluidiskajos kanālos uz polimēra plātnes. Divu gadu laikā pēc raksta par vārstiem publicēšanas grupa bija iemācījusies izveidot mikrofluidisku mikroshēmu ar tūkstošiem vārstu un simtiem reakcijas kameru. Tā bija pirmā šāda mikroshēma, kuru ir vērts salīdzināt ar integrēto shēmu. Tehnoloģija tika licencēta Fluidigm, kuru Quake līdzdibināja 1999. gadā.

Tikmēr citas akadēmiskās laboratorijas izgudroja citus arvien sarežģītākus veidus, kā manipulēt ar šķidrumiem mikrofluidiskajās ierīcēs. Rezultāts ir jaunas paaudzes uzņēmumi, kas aprīkoti ar daudz jaudīgākām tehnoloģijām. Tomēr daudzi potenciālie lietotāji joprojām ir skeptiski. Atkal mikrofluidika nonāk pazīstamā tehnoloģiju attīstības fāzē. Kā skaidro Hārvardas fizikas profesors un vairāku mikrofluidikas uzņēmumu līdzdibinātājs Deivids Veits: tas ir brīnišķīgs risinājums, kas joprojām meklē labākās problēmas.

Ir daudz iespēju. Biomedicīnas pētnieki ir sākuši izmantot mikrofluidiku, lai noskaidrotu, kā atsevišķas šūnas ekspresē gēnus. Vienā eksperimentā vēža pētnieki izmanto vienu no Fluidigm mikroshēmām, lai analizētu prostatas audzēja šūnas, meklējot modeļus, kas palīdzētu viņiem izvēlēties zāles, kas visefektīvāk apkaros audzēju. Turklāt Fluidigm nesen ir ieviesusi mikroshēmu, kas paredzēta cilmes šūnu audzēšanai precīzi kontrolētā mikrovidē. Pašlaik, kad cilmes šūnas tiek audzētas laboratorijā, var būt grūti atdarināt dzīvā dzīvnieka ķīmiskos apstākļus. Bet nelielas cilmes šūnu grupas varētu sadalīt mikrofluidiskās mikroshēmas daļās un mazgāt bioķīmisko vielu kombinācijās, ļaujot zinātniekiem optimizēt savus augšanas apstākļus.

Un mikrofluidika varētu padarīt iespējamas lētas un pārnēsājamas diagnostikas ierīces lietošanai ārstu kabinetos vai pat attālās klīnikās. Teorētiski, piemēram, asiņu paraugu varētu nomest uz mikrofluidiskā mikroshēmas, kas veiktu nepieciešamo bioloģisko testu - identificētu vīrusu, noteiktu vēža olbaltumvielas vai atrastu sirdslēkmes bioķīmiskas pazīmes. Taču medicīniskajā diagnostikā, kā arī biomedicīnas pētījumos mikrofluidika vēl nav plaši izmantota.

Atkal Artura analīze piedāvā skaidrojumu. Lietotājiem, kuri sastopas ar jaunajiem rīkiem, ir jānosaka, vai tie ir vērtīgi. Daudzu diagnostikas lietojumu gadījumā biologiem ir labāk jāsaprot, kuras bioķīmiskās vielas noteikt, lai izstrādātu testus. Tikmēr tiem, kas izstrādā mikrofluidiskās ierīces, ir jāatvieglo ierīču lietošana. Kā mums atgādina Artūrs, zinātnei un tehnoloģijai ir jābalstās vienai uz otru, un tehnologiem ir jāizgudro trūkstošie elementi, ko vēlas lietotāji; tā ir lēna, rūpīga attīstība.

Bieži vien ir grūti paredzēt, kādi būs šie trūkstošie gabali. Hunkapiller atgādina automatizētā DNS sekvencēra komercializācijas vēsturi — mašīnu, ko viņš un viņa kolēģi izgudroja uzņēmumā Caltech un kas tika komercializēta 1986. gadā uzņēmumā Applied Biosystems. (Mašīna palīdzēja padarīt iespējamu cilvēka genoma projektu.) Dažreiz tas ir dīvains, kas liek tehnoloģijai pacelties, viņš saka. Viņš saka, ka automatizētā secība kļuva populāra tikai 1991. vai 1992. gadā, kad uzņēmums ieviesa paraugu sagatavošanas komplektu. Lai gan tas nebija īpaši iespaidīgs tehniskais sasniegums — noteikti ne paša automatizētā sekvencēra līmenī —, komplektam bija milzīga ietekme, jo tas atviegloja iekārtu lietošanu un nodrošināja ticamākus rezultātus. Pēkšņi viņš atceras, ka pārdošanas apjomi strauji pieauga: vairs nebija nekas liels par mašīnu maksāt 100 000 USD.

Nesenā intervijā Vaitsaids demonstrēja no papīra izgatavotu mikrofluidisku mikroshēmu, kurā šķidrumi pa kanāliem tiek novadīti uz mazām kamerām, kur tiek veiktas testa reakcijas. Tad viņš izvilka no kastes jaunu viedtālruni, kas joprojām bija plastmasas iesaiņojumā. Kā būtu, ja, viņš domāja, jūs varētu kaut kādā veidā izmantot tālruņa kameru, lai tvertu mikroshēmas datus, un izmantotu tās skaitļošanas jaudu, lai apstrādātu rezultātus, nevis paļauties uz apjomīgiem īpašiem lasītājiem? Vienkārša nolasīšana tālrunī var sniegt lietotājam nepieciešamo informāciju. Taču, pirms tas notiks, viņš atzina, būs nepieciešami dažādi citi sasniegumi. Patiešām, Vaitsaids, it kā atgādinot par grūto darbu, kas priekšā stāv, ātri ieslidināja viedtālruni atpakaļ kastē.

Deivids Rotmans ir redaktors Tehnoloģiju apskats .

paslēpties