Think big, start small

ResearchBlogging.org

Wielu z nas chemia kojarzy się z przelewaniem bezbarwnych cieczy z probówki do probówki (i nie bez przyczyny). Jeśli mamy szczęście, to przy tym przelewaniu ciecze będą zmieniać kolor, być może produkować jakiś zapach, albo nawet wybuchać. Zazwyczaj jednak nic takiego nie ma miejsca, a rezultat tego przelewania jest widoczny na bardzo odległym końcu procesu, w postaci niezbyt emocjonującego wykresu.

A teraz wyobraźcie sobie, że ta operacja musi być powtórzona setki, tysiące, setki tysięcy razy. To właśnie dzieje się w badaniach typu przesiewowego – np. gdy biblioteka zawierająca miliony związków jest przeszukiwana pod kątem nowego leku. Albo przy poszukiwaniu optymalnych warunków do syntezy nowych substancji. Czy w jakiejkolwiek innej sytuacji, jakimkolwiek innym eksperymencie, gdy wśród milionów możliwości poszukujemy tej jednej, najlepszej, najbardziej odpowiedniej.

Jak więc wygląda takie badanie (z ang. nazywane HTS, czyli high-throughput screening, czyli wysokowydajne badanie przesiewowe)? Otóż najczęściej posługujemy się płytkami mikrotestowymi: plastikową płytkę posiadającą najczęściej 96, 384 lub więcej (zwłaszcza do HTS: 1536, 3456 a nawet 9600) tzw. studzienek. W każdej studzience testowany jest jeden związek, jeden zestaw parametrów, jeden skład mieszaniny – cokolwiek to jest, co badamy. Oczywiście do płytek ze 100 studzienkami potrzeba robota – człowiek owszem, może i byłby w stanie zrobić to samo, ale nie tak precyzyjnie i nie tak szybko, a końcu przy testowaniu tysięcy czy milionów opcji na szybkości nam raczej zależy.

Płytki do mikrotestów zawierające 96, 384 i 1536 studzienek /www.wikipedia.org

Płytki nazywają się co prawda mikro, ale przy tej ilości możliwości ilość zużywanych reagentów jest wciąż dość wysoka, a koszt często olbrzymi. Ponadto nawet przy zastosowaniu robota, przeprowadzenie kilku czy kilkunastu czy wręcz kilkuset tysięcy testów zajmuje mnóstwo czasu. A potem jeszcze trzeba wszystko dla porządku powtórzyć. Pojawia się więc bardzo pragmatyczne pytanie: czy da się coś zrobić, aby ograniczyć zarówno ilość zużywanych często nietanich chemikaliów oraz czy da się cały proces przyspieszyć.

Z odpowiedzią przychodzi technologia względnie nowa, mająca obecnie nie więcej niż dekadę – technologia mikrokropli. A piękny przykład mikroczipu wykorzystującego tę technologię właśnie do wysokowydajnych badań przesiewowych został opisany w pracy grupy Piotra Garsteckiego z Polskiej Akademii Nauk w piśmie Lab on Chip.

Mikrokrople – pomimo swej nieco dziecinnej nazwy – kryją w sobie ogromny potencjał. Wytwarzane są w systemach dynamicznych: na mikroczipie z kanalikami szerokości rzędu może dziesiątek mikronów. Sposób ich wytwarzania jest prosty: jednym kanalikiem dostarczana jest faza wodna, a drugim np. faza olejowa (olej zazwyczaj stosowany jest jako medium, w którym powstają i trwają mikrokrople). W punkcie, w którym kanaliki łączą się, dochodzi do kontaktu płynów. Ponieważ jednak są to substancje nie mieszające się, dochodzi do powstanie kropli – w takim przypadku fazy wodnej. Krople te mają mikroskopijne rozmiary. Objętość kropli produkowanych na czipie opisanym przez Polaków dochodziła do 1.5 μL, jednak da się – i wyobrażam sobie zresztą, że w tym kierunku pójdzie dalsza praca grupy – wytworzyć mikrokrople o objętości rzędu nano, a nawet pikolitrów. Oczywiście, jeśli kanalików będzie więcej, inny skład fazy wodnej w każdym z nich, wówczas będzie można uzyskać krople kilku rodzajów. W dodatku możliwe jest proste kontrolowanie objętości kropli – poprzez kontrolę prędkości z jaką faza wodna porusza się w mikroczipie.

Wyobraźmy sobie zatem, że chcemy przetestować ogromny zestaw różnych warunków eksperymentalnych, np. różnych stężeń reagentów. To też uczynili badacze z PANu: wyprodukowali czip, na którym wytwarzane były krople z trzech faz wodnych: dwóch zawierających odczynniki i jednej, która miała tylko za zadanie dopełnić objętość kropli po zmieszaniu wszystkich trzech faz do 1.5uL. W ten sposób, manipulując tylko szybkością z jaką poruszały się fazy wodne z odczynnikami, badacze byli w stanie produkować krople o różnych stężeniach każdego z nich. W dodatku mieli znakomitą kontrolę nad tym, jakie warunki w kroplach panują, a cały proces przesiewu odbywał się z przyzwoitą wydajnością, pozwalającą przetestować 10 000 różnych kombinacji warunków eksperymentalnych w ciągu godziny.

Schemat mikroczipu wraz z ilustracjami mieszania się kropli  – Churski et al. ©2010

Ilustracja powyżej pokazuje to, co starałem się właśnie wyjaśnić. Na zdjęciach na dole widać, jak krople z dwoma barwnikami łączą się ze sobą i mieszają (mieszaniu służy sinusoidalny kanalik wprawiający zawartość kropli w specyficzny rodzaj ruchu w jej obrębie, który umożliwia bardzo dokładne i bardzo szybkie mieszanie).

Jak już wcześniej zaznaczyłem, już na tym wstępnym etapie prezentowany mikroczip może konkurować śmiało z tradycyjnymi robotami do HTS. Teraz badaczom pozostało jedynie mnóstwo pracy, aby zmniejszyć jeszcze bardziej objętość kropli (a co za tym idzie zużycie odczynników) oraz zwiększyć przepustowość. Niektóre z problemów zostały już rozwiązane w podobnych systemach, niektóre zaś wymagać będą nieco więcej wglądu i ciężkiej harówy. Cóż mogę dodać? Trzymajcie za nich kciuki!

Churski, K., Korczyk, P., & Garstecki, P. (2010). High-throughput automated droplet microfluidic system for screening of reaction conditions Lab on a Chip, 10 (7) DOI: 10.1039/b925500a

6 Comments

  1. Już kiedyś Ci pisałem, że mnie też lab-on-chip fascynował i fascynuje. Nawet kiedyś myślałem o startowaniu na doktorat do prof. Brzózki (Politechnika Warszawska).
    A co do samej miniaturyzacji to pompy są i będą jeszcze długo problemem ale z detektorami mogłoby być dużo prościej gdyby ludzie się tak nie bali bardziej zaawansowanych metod elektrochemicznych (chociaż to oczywiście różnie bywa w różnych ośrodkach)…

    Lubię

    1. I tu Cię zaskoczę. Nawet detektory typu UV-Vis mogą już być miniaturyzowane. Szczegółów nie znam, ale słyszałem ostatnio, że wykorzystuje się do tego jakiś rodzaj filmów LED (filmów = cienkich warstw oczywiście). A pompy ponoć też można obskoczyć. Co prawda nie wszystko da się prosto rozwiązać w takich systemach, ale jak mówiłem – pewne rozwiązania już są. Napisałbym o tym zresztą, ale nie chciałem się rozpisywać za bardzo, bo i tak strasznie długi wpis mi wyszedł.

      Lubię

      1. Reklamuję, bo jak powiedział kiedyś Feynman, there’s plenty of space at the bottom. A myśmy jeszcze nie dotarli do granic możliwości. Jak już wspominałem wcześniej – potencjał tych technologii jest olbrzymi.

        Lubię

    1. Mikrofluidyka (czy też technologie mikrocieczowe, jak to się tam po polsku zowie) ma niesamowity potencjał. Ale ciągle jeszcze raczkuje. Cały koncept lab-on-the-chip jest bardzo obiecujący, ale podstawowy problem polega na tym, że nie wszystkie elementy systemów umiemy jeszcze zminiaturyzować. Więc podaczas, gdy w obrębie czipu można już niezłe cuda wyprawiać, bardzo często jeszcze źródłem przepływu płynów są pompy strzykawkowe, a do odczytu danych stosuje się duże detektory. Czyli – maleńki czip, ale otoczony olbrzymimi peryferiami. I lab-on-the-chip zamienia się znowu w lab-on-the-chip-in-the-lab. Ale kiedyś na pewno sięgniemy dna (to gra słów, żeby nie było niedomówień ;).

      Lubię

Skomentuj

Wprowadź swoje dane lub kliknij jedną z tych ikon, aby się zalogować:

Logo WordPress.com

Komentujesz korzystając z konta WordPress.com. Log Out / Zmień )

Zdjęcie z Twittera

Komentujesz korzystając z konta Twitter. Log Out / Zmień )

Facebook photo

Komentujesz korzystając z konta Facebook. Log Out / Zmień )

Google+ photo

Komentujesz korzystając z konta Google+. Log Out / Zmień )

Connecting to %s