Zilā gaisma, sarkanā gaisma

Tā ir Frankenšteina briesmoņa tipa iedomība, taču biologs Tods H. Raiders ‘91, SM ‘91, SM ‘94, PhD ‘95 nekad nav vairījies no domas, ka viņš varētu būt traks zinātnieks. Patiesībā viņš to pieņem. Viņa paraugi bijuši mežonīgie filmu zinātnieki, ar renegātiskām tieksmēm un nevēlēšanos stāties uz metodiskām ceremonijām. Viņš pat aizņemas viņu rindas. Pirms viena eksperimenta, kurā viņam bija jāpārslēdz slēdzis, viņš kliedza: Dod manai radībai dzīvību!

Es domāju, ka es pārsteidzu daudzus cilvēkus, viņš saka tagad.

35 gadus vecais Arkanzasas iedzīvotājs specializējas tādu lietu nomedīšanā, kas daudziem šķiet biedējošākas par Frankenšteina briesmoni: nāvējošos mikrobus un vīrusus.

Raiders un viņa komanda no Linkolnas laboratorijas jūlijā saņēma valsts uzmanību par savu darbu pie jaunas sistēmas potenciāli nāvējošu patogēnu, piemēram, Sibīrijas mēra vai leģionāru slimības, noteikšanai, par kurām jau sen ir bijušas bailes, taču tās ir kļuvušas vēl biedējošākas. izmantošana bioloģiskajos ieročos. Rider izstrādātais detektors, kas pazīstams kā šūnu analīze un paziņojums par antigēnu riskiem un ražu, vai saīsināti Kanārija, izmanto baltos asinsķermenīšus — ķermeņa pirmo aizsardzības līniju pret slimībām, lai pārbaudītu vielas noteiktu patogēnu klātbūtnei.

Atšķirībā no pašreizējām noteikšanas sistēmām, kas izmanto DNS pastiprinošas reakcijas, kas var ilgt stundu vai ilgāk, Raidera tehnika sniedz informāciju sekundēs. Tā kā sabiedrība ir noraizējusies par bioloģiskā kara un bioterorisma draudiem un pilsētām ir noteikta karantīna strauji izplatošu vīrusu, piemēram, SARS, dēļ, detektora spēja nodrošināt rādījumus uz vietas var novest pie dažādiem pirmās reakcijas lietojumiem, sākot no lasīšanas. gļotas, ko mistiski slims neatliekamās palīdzības dienesta apmeklētājs piegādāja baltā pulvera pārbaudei neilgi pēc tam, kad tas izlido no aploksnes. Raiders arī uzskata, ka detektoru var pielāgot daļiņu izvilkšanai no gaisa, lai noteiktu, vai kaujas laukā ir izlaisti bioloģiskie ieroči.

Dabiskās reakcijas pielāgošana

Raiders saka, ka daba jau pierāda, ka baltās asins šūnas atklāj patogēnus. Kad šādas šūnas antivielas saistās ar vīrusu vai baktēriju, tās izraisa kalcija signālu. Tas liek šūnai doties kara ceļā un cīnīties ar iebrucējiem. Raiders uzskatīja, ka, ja viņš varētu atrast vienkāršu veidu, kā noteikt kalcija signālu, viņš varētu izstrādāt patogēnu sensoru.

Tas ir gudri, saka doktors Deivids Relmens, Stenfordas universitātes profesors, kurš pēta patogēnu noteikšanu. Man patīk ideja izveidot bioloģisku sistēmu, kas jau ir izveidota ātrai reaģēšanai.

Bet, kad Raiders pirmo reizi sāka strādāt pie idejas, drīz pēc ierašanās Linkolnas laboratorijā 1997. gadā, cilvēki nebija tik atsaucīgi. Viņš saka, ka daudzi cilvēki Linkolnas laboratorijā to nebija uztvēruši ļoti nopietni. Turklāt Linkolna laboratorijā nebija bioloģijas laboratorijas. Tāpēc tolaik jauneklīgais zinātnieks, kuram bija 28 gadu vecums, reālajā pasaulē pavadīja tikai gadu pēc deviņiem MIT gadiem, bija spiests atrast vietu universitātes pilsētiņā, līdz viņš varēja izveidot balto asins šūnu, kas atklātu kalcija reakciju.

Raiders šo vietu atrada bioloģijas profesora Jianzhu Chen laboratorijā. Čens, kurš pēta imunoloģiju, arī palīdzēja Raideram nodrošināt savlaicīgu finansējumu no apmetņu un dunču pūļa, kas ir veicis lielu daļu Kanāriju attīstības. ASV Aizsardzības progresīvo pētījumu projektu aģentūra (DARPA), ar ASV militāro spēku saistīts finansējuma avots zinātniskiem projektiem, bija ieinteresēta patogēnu noteikšanā, un Raidera komanda devās uz Vašingtonu, lai sagatavotu prezentāciju, kas galu galā bija veiksmīga.

Ar pietiekamiem resursiem Raiders varētu sākt pētīt proteīnu, ko viņš jau sen uzskatīja par daudzsološu: ekvorīnu, kas iegūts no kvēlojošās medūzas. Vienlīdzīga uzvara un tam ir labi dokumentēta spēja ražot gaismu, reaģējot uz kalciju. Raiders izmantoja elektrību, lai izpūstu caurumus baltajās asins šūnās, kas tika iegūtas no peles, un pēc tam ievadīja šīm šūnām medūzas ģenētiskās instrukcijas ekorīna ražošanai. Teorija bija tāda, ka tad, kad antivielas uz šūnu virsmām bloķējas uz to patogēniem, tās izraisīs kalcija signālu, kas aktivizēs ekorīnu un liks šūnām mirdzēt zilā krāsā. Šo zilo gaismu, lai gan tā nav redzama ar neapbruņotu aci, var izmērīt ar luminometru, kas rezultātus nosūtītu uz datoru, kas radītu rādījumu.

Līdz 1998. gada vidum Raiders bija ieprogrammējis šūnas, lai tās izstaro gaismu, reaģējot uz fosforilholīna-ovalbumīnu, drošu ķīmisku līdzekli vīrusiem un baktērijām. Taču princips bija tāds pats, un šie sākotnējie panākumi nodrošināja koncepcijai uzticamību, kas bija nepieciešama, lai Rider turpinātu.

Pēc tam viņš un viņa komanda atgriezās Linkolnas laboratorijā un sāka iepirkties pēc patogēnu antivielām, izmantojot citās laboratorijās pētīto slimību izraisošo baktēriju un vīrusu kopumu. Pēc daudziem izmēģinājumiem un kļūdām bioloģe Marta Petrovika izstrādāja jaunu ģenētiskās inženierijas rīka versiju, kas pazīstama kā DNS vektors, kas ļāva Raideram un viņa komandai ražot baltās asins šūnas ar antivielām uz to virsmām, kas reaģēja uz konkrētiem patogēniem. Tie ietvēra Sibīrijas mēri, buboņu mēri, patogēno celmu E. coli , hlamīdijas, bakas un pusducis citu vīrusu un baktēriju baidījās par to potenciāli negatīvo ietekmi uz sabiedrības veselību vai izmantošanu bioterora ieročos.

Bet komanda joprojām saskārās ar vienu būtisku problēmu: baltajām asins šūnām un patogēniem testēšanas laikā bija grūtības atrast viens otru. Reakcija bija pārāk ilga, un signāls no luminometra bija pārāk zems. Mums bija jāizdomā kāds veids, kā padarīt reakciju ātrāku un pamanāmāku, saka Džeimss Hārpers, PhD '98, Linkolnas laboratorijas darbinieks, kurš vadīja Kanāriju aparatūras inženieriju.

Risinājums bija izmantot centrifūgu, lai grieztu parauga šūnu materiālu pret tā konteinera apakšdaļu, pievienotu baltās asins šūnas un izgrieztu tās uz leju paraugam, piespiežot abus ciešā saskarē vienam ar otru. Tas, kas bija prasījis minūtes, tagad aizņēma sekundes.

Daudzās no šīm sistēmām ierobežojums ir masu transports,” saka Duane Lindner ‘72, direktora vietnieks ķīmijas un bioloģijas programmu jautājumos Sandia National Laboratories Livermore, Kalifornijā, kas izstrādā savas patogēnu noteikšanas sistēmas. Paiet daudz laika, lai šīs lielās lietas tiktu viena otrai virsū. Viņu darbs ir parādījis, cik ātras var būt sistēmas.

Ātri un vienkārši, varbūt?

Tieši ar šo ātrumu gan militārie, gan privātie uzņēmumi ir ieinteresēti jaunā detektora potenciālā. Jau pirms 2001. gada 11. septembra teroristu uzbrukumiem militārpersonas bija interesējušās par kaut ko tādu, kas varētu analizēt gaisu bioloģisko ieroču noteikšanai. Sabiedrības veselības aģentūras arī ļoti vēlējās iegūt kaut ko tādu, kas varētu ātri pārbaudīt pārtikas sūtījumu attiecībā uz E. coli. Nesenās bažas par noslēpumainiem, iespējams, Sibīrijas mēra piesātinātiem baltiem pulveriem, kas tiek sūtīti pa ASV pastu, un bailes no ātri izplatošiem vīrusiem, piemēram, SARS, ir izraisījušas neatliekamās palīdzības sniedzējus un klīnikas darbiniekus tikpat ieinteresēti patogēnu noteikšanā kā militārpersonas.

Kanāriju salās izmantotā tehnoloģija ir gandrīz jau pielāgojama daudziem no šiem lietojumiem, saka tās izstrādātāji, kuri uzskata, ka pašreizējo centrifūgas, luminometra un datora prototipu varētu iekļaut lauka testēšanas komplektā, kas ir aptuveni čemodāna lielumā. par aparatūras izmaksām no 7000 līdz 10 000 USD.

Mēs to apzināti izstrādājam, lai tas būtu ļoti viegli lietojams, saka Raiders. Dažas no pašreizējām sistēmām izmanto diezgan daudz apmācības. Mēs vēlamies, lai to varētu izmantot armijas karavīri, medicīnas darbinieki, neatliekamās palīdzības sniedzēji. Jūs vienkārši pievienosit paraugu šūnai un redzēsit, vai tas spīd.

Raiders arī izstrādā to, ko viņš rotaļīgi dēvē par milzu snorflatoru, lai jutīgās vietās izsūktu daļiņas no gaisa un pārbaudītu tās. Ierīcē izmantotās detektoru šūnas tagad var izdzīvot līdz divām nedēļām, pirms tās ir jāmaina. Lai gan Raiders šūnas sauc par pārsteidzoši izturīgām, citi saka, ka tās nav pietiekami izturīgas, jo īpaši vienam nozīmīgam civilās aizsardzības mērķim — sistēmai, kas autonomi savāks paraugus no gaisa un pārbaudīs tajos patogēnus.

Vēl citi uzskata, ka viņa procesu pārspēj konkurence. Uz DNS balstītās noteikšanas tehnoloģijas, lai gan tās nav tik ātras kā Kanāriju salā, galu galā spēs vienlaikus pārbaudīt plašu patogēnu klāstu un pat atklāt to organismu ģenētiskās īpašības, kuras nevar viegli identificēt. Kanārija pārāk daudz koncentrējas uz konkrētiem organismiem, saka Kalvins Čū, Džona Hopkinsa Civilās bioloģiskās aizsardzības stratēģiju centra pētnieks. Ja es jums iedotu nezināmu patogēnu, jums būtu jāveic visas jūsu īpašās ātrās pārbaudes. Tā kā tas varētu ietvert duci vai vairāk skrējienu, analīze vairs nav tik ātra. Pat skrējiena beigās jums joprojām var būt nezināms, un jūs nevarat pieņemt, ka tas ir labdabīgs.

Tomēr Raiders cer, ka nākotnē Kanārija spēs veikt jebkāda veida analīzi, ko var veikt konkurējošās DNS tehnoloģijas. Tikmēr Hārpers, piemēram, uzskata, ka priekšrocības, ko sniedz iespēja ātri lasīt, ir acīmredzamas.

DNS ir piemērota adatas meklēšanai siena kaudzē, kad nezināt, kas ir adata, saka Hārpers. Taču jutīguma un ātruma ziņā nešķiet, ka ir kaut kas tāds, kas varētu līdzināties Kanāriju salām. Tas var pie gultas noteikt, vai kādam ir bakteriāla vai vīrusu infekcija, pirms viņš pat piecelsies, lai dotos uz slimnīcu. Tas nav piemērots, lai aplūkotu, kas notiek tūkstoš dažādos gēnos, bet tas ir labs, lai sniegtu ātrāko un jutīgāko atbildi.

Patiešām, lai gan liela daļa DARPA agrīnās motivācijas finansēt projektu bija tās interese izmantot dažādu šūnu reaktīvās īpašības, lai noteiktu nezināmu patogēnu īpašības, nevis pārbaudītu paraugus tiem, kas jau ir zināmi, aģentūra joprojām ir apmierināta ar tehnoloģiju. . DARPA ir viena no tām vietām, kur jūs neaprobežojas ar vienu tēmu, saka Alans Rūdolfs, zinātnieks, kurš pārrauga aģentūras projektu.

Tas ir izdevīgi Raideram, kuram ir bijušas grūtības aprobežoties ar vienu tēmu akadēmiskajā vai pētniecības vidē. Viņa doktora darbs faktiski bija saistīts ar kodolsintēzes reaktoriem, taču viņš migrēja caur vairākiem nepilngadīgajiem, tostarp biomedicīnas jomā, to pabeidzot. Mikrobioloģijai viņš pievērsās pēc tam, kad promocijas darbā tika atklātas problēmas ar dažādiem kodolsintēzes reaktoriem, padarot viņu, viņš atzīst, nedaudz nepopulāru reaktoru biznesā.

Es dažus cilvēkus apbēdināju, tāpēc nolēmu pārcelties uz citu jomu, saka Raiders. Man paveicās, ka ieguvu biomedicīnas grādu.

Dr. Frankenšteins varētu piekrist.

paslēpties