Mėlyna šviesa, raudona šviesa

Tai Frankenšteino pabaisos tipo pasipūtimas, tačiau biologas Todd H. Rider ‘91, SM ‘91, SM ‘94, PhD ‘95 niekada nevengė minties, kad jis gali būti išprotėjęs mokslininkas. Tiesą sakant, jis tai priima. Jo sektinais pavyzdžiais tapo laukiniai filmų mokslininkai, turintys renegatų siekių ir nenorintys stoti į metodinę ceremoniją. Jis netgi skolinasi jų eilutes. Prieš vieną eksperimentą, kurio metu reikėjo perjungti jungiklį, jis sušuko: „Duok mano kūriniui gyvybę!

Manau, kad daugelį žmonių išgąsdinau, sako jis dabar.

35 metų Arkanzaso gyventojas specializuojasi medžioti tai, kas daugeliui žmonių atrodo baisesnis už Frankenšteino pabaisą: mirtinus mikrobus ir virusus.

Raideris ir jo komanda iš Linkolno laboratorijos liepos mėnesį sulaukė nacionalinio dėmesio už savo darbą kuriant naują sistemą, leidžiančią aptikti potencialiai mirtinus patogenus, tokius kaip juodligė ar legioneliozės liga, kurių jau seniai buvo baiminamasi, bet kurie tapo dar labiau bauginantys dėl galimų galimų ligų. naudoti biologiniuose ginkluose. Sukurtas detektorius Rider, žinomas kaip ląstelių analizė ir pranešimas apie antigenų riziką ir derlių, arba sutrumpintai Canary, naudoja baltuosius kraujo kūnelius – pirmąją organizmo gynybos liniją nuo ligų, kad patikrintų medžiagas, ar nėra tam tikrų patogenų.

Skirtingai nuo dabartinių aptikimo sistemų, kuriose naudojamos DNR stiprinančios reakcijos, kurios gali užtrukti valandą ar ilgiau, Riderio technika informaciją pateikia per kelias sekundes. Visuomenei nerimstant dėl ​​biologinio karo ir bioterorizmo grėsmės, o miestams karantinuojant dėl ​​greitai plintančių virusų, tokių kaip SARS, detektoriaus potencialas pateikti parodymus vietoje gali paskatinti įvairius pirmojo reagavimo būdus, pradedant skaitymu. gleivių, kurias paslaptingai sergantis greitosios pagalbos skyriaus lankytojas tiekia baltiems milteliams tirti netrukus po to, kai jie išskrido iš voko. Raideris taip pat mano, kad detektorius gali būti pritaikytas traukti daleles iš oro, kad būtų galima nustatyti, ar mūšio lauke buvo paleisti biologiniai ginklai.

Natūralios reakcijos koregavimas

Gamta, sako Rider, jau įrodo, kad baltieji kraujo kūneliai aptinka patogenus. Kai tokios ląstelės antikūnai prisijungia prie viruso ar bakterijos, jie sukelia kalcio signalą. Dėl to ląstelė eina į karo kelią ir kovoja su įsibrovėliais. Raideris tikėjo, kad radęs paprastą būdą kalcio signalui aptikti, jis galėtų sukurti patogeno jutiklį.

Tai protinga, sako daktaras Davidas Relmanas, Stanfordo universiteto profesorius, tyrinėjantis patogenų aptikimą. Man patinka idėja bendradarbiauti su biologine sistema, kuri jau yra prijungta prie greito atsako.

Tačiau kai Rider pirmą kartą pradėjo dirbti su idėja, netrukus po to, kai 1997 m. atvyko į Linkolno laboratoriją, žmonės nebuvo tokie imlūs. Daugelis Linkolno laboratorijos žmonių į tai nežiūrėjo labai rimtai, sako jis. Be to, Linkolno laboratorijoje nebuvo biologijos laboratorijos. Taigi jaunasis tuometinis 28 metų mokslininkas, po devynerių metų MIT pragyvenęs tik metus realiame pasaulyje, buvo priverstas miestelyje rasti vietos suoliukui, kol galėjo sukurti baltųjų kraujo kūnelių, kurie atskleistų kalcio reakciją.

Raideris tą erdvę rado biologijos profesoriaus Jianzhu Chen laboratorijoje. Chenas, tyrinėjantis imunologiją, taip pat padėjo Rideriui anksti užsitikrinti finansavimą iš apsiaustų ir durklų minios, kuri išnešiojo didžiąją dalį Kanarų plėtros. JAV gynybos pažangių tyrimų projektų agentūra (DARPA), su JAV kariuomene susijęs mokslinių projektų finansavimo šaltinis, domėjosi patogenų aptikimu, o Riderio komanda nuvyko į Vašingtoną surengti tai, kas galiausiai buvo sėkminga.

Turėdamas pakankamai išteklių, Raideris galėtų pradėti tirti baltymą, kurį ilgai laikė perspektyviu: ekvoriną, gautą iš švytinčios medūzos. Lygi pergalė ir turi gerai dokumentuotą gebėjimą gaminti šviesą reaguojant į kalcį. Raideris naudojo elektrą, kad išpūstų skylutes baltuosiuose kraujo kūneliuose, kurie buvo išgauti iš pelės, tada į šias ląsteles įpurškė medūzos genetines instrukcijas, kaip gaminti aequoriną. Teorija buvo tokia, kad kai antikūnai ant ląstelių paviršių užsifiksuos ant jų patogenų, jie suaktyvins kalcio signalą, kuris suaktyvins ekvoriną ir privers ląsteles švyti mėlynai. Mėlyna šviesa, nors ir nematoma plika akimi, gali būti išmatuota luminometru, kuris siųstų rezultatus į kompiuterį, kuris generuotų rodmenis.

Iki 1998 m. vidurio Rider užprogramavo ląsteles skleisti šviesą, reaguodama į fosforilcholino-ovalbuminą, saugų cheminį virusų ir bakterijų apsaugą. Tačiau principas buvo tas pats, ir ši pradinė sėkmė suteikė koncepcijai patikimumo, kurio reikėjo Rider ir toliau.

Tada jis ir jo komanda grįžo į Linkolno laboratoriją ir pradėjo pirkti patogenų antikūnus, remdamiesi ligas sukeliančių bakterijų ir virusų, tirtų kitose laboratorijose, gausa. Po daugybės bandymų ir klaidų biologė Martha Petrovick sukūrė naują genetinės inžinerijos įrankio, žinomo kaip DNR vektorius, versiją, leidžiančią Rideriui ir jo komandai gaminti baltuosius kraujo kūnelius su antikūnais ant jų paviršių, reaguojančių į specifinius patogenus. Tai buvo juodligė, buboninis maras, patogeninė padermė E. coli , chlamidijos, raupai ir pusšimtis kitų virusų ir bakterijų baiminosi dėl galimo neigiamo poveikio visuomenės sveikatai arba panaudojimo bioteroro ginkluose.

Tačiau komanda vis tiek susidūrė su viena esmine problema: baltųjų kraujo kūnelių ir patogenų bandymo metu buvo sunku rasti vienas kitą. Reakcija užtruko per ilgai, o signalas iš luminometro buvo per mažas. Turėjome sugalvoti kokį nors būdą, kaip reakcija būtų greitesnė ir ryškesnė, sako Jamesas Harperis, PhD '98, Linkolno laboratorijos darbuotojas, Kanarų aparatūros inžinerijos vadovas.

Sprendimas buvo naudoti centrifugą, kad mėginio ląstelinė medžiaga būtų sukama link talpyklos dugno, įpilama baltųjų kraujo kūnelių ir nusukama juos ant mėginio viršaus, priverčiant juos glaudžiai liestis. Tai, kas užtruko minutes, dabar užtruko sekundes.

Daugelyje šių sistemų apribojimas yra masinis transportas“, - sako Duane'as Lindneris „72“, Sandia National Laboratories Livermore, Kalifornijoje, kuri kuria savo patogenų aptikimo sistemas, chemijos ir biologijos programų direktoriaus pavaduotojas. Reikia daug laiko, kad šie dideli dalykai susitvarkytų vienas su kitu. Jų darbas parodė, kokios greitos gali būti sistemos.

Greitai ir paprastai, gal?

Būtent tokiu greičiu naujojo detektoriaus potencialu domisi ir karinės, ir privačios įmonės. Dar prieš 2001 m. rugsėjo 11 d. teroristinius išpuolius kariškiai domėjosi kažkuo, kas galėtų išanalizuoti orą ir ieškoti biologinių ginklų. Visuomenės sveikatos agentūros taip pat norėjo kažko, kas galėtų greitai patikrinti maisto siuntą dėl E. coli. Neseniai kilęs susirūpinimas dėl paslaptingų, galbūt juodligės prisotintų baltų miltelių, siunčiamų JAV paštu, ir baimės dėl greitai plintančių virusų, tokių kaip SARS, privertė greitosios pagalbos darbuotojus ir gydytojus domėtis patogenų aptikimu taip pat kaip kariškiai.

Kanarų salose naudojama technologija jau beveik pritaikoma daugeliui šių naudojimo būdų, teigia jos kūrėjai, kurie mano, kad dabartinis centrifugos, luminometro ir kompiuterio prototipas galėtų būti įtrauktas į lauko bandymų rinkinį, maždaug lagamino dydžio. aparatinės įrangos kaina yra nuo 7 000 iki 10 000 USD.

Mes sąmoningai jį kuriame, kad jį būtų labai lengva naudoti, sako Rider. Kai kurios dabartinės sistemos naudoja gana daug mokymų. Norime, kad jis būtų naudojamas kariuomenės kariams, medicinos personalui, greitosios pagalbos tarnyboms. Tiesiog pridėsite pavyzdį į langelį ir pamatysite, ar jis šviečia.

Raideris taip pat kuria tai, ką jis žaismingai vadina milžinišku snorfleriu, kuris gali siurbti daleles iš oro jautriose vietose ir jas išbandyti. Įrenginyje naudojamos detektoriaus ląstelės dabar gali išgyventi iki dviejų savaičių, kol jas reikės pakeisti. Nors Raideris ląsteles vadina stebėtinai atspariomis, kiti teigia, kad jos nėra pakankamai tvirtos, ypač vienam svarbiam civilinės gynybos tikslui – sistemai, kuri savarankiškai rinks mėginius iš oro ir ištirs juos dėl patogenų.

Dar kiti mano, kad jo procesą persveria konkurencija. DNR pagrįstos aptikimo technologijos, nors ir ne tokios greitos kaip Kanarų, galiausiai galės vienu metu ištirti daugybę patogenų ir netgi atskleisti genetines tų organizmų savybes, kurių neįmanoma lengvai identifikuoti. Kanarai per daug dėmesio skiria konkretiems organizmams, sako Calvin Chue, Johnso Hopkinso civilinės biologinės gynybos strategijų centro tyrėjas. Jei duočiau jums nežinomą patogeną, turėtumėte atlikti visus specifinius greituosius testus. Kadangi tai gali apimti keliolika ar daugiau paleidimų, analizė nebėra tokia greita. Net pasibaigus bėgimui jūs vis tiek galite turėti nežinomybę, ir jūs negalite manyti, kad tai yra gerybinė.

Tačiau Rider tikisi, kad ateityje Kanarai galės atlikti bet kokią analizę, kurią gali atlikti konkuruojančios DNR technologijos. Tuo tarpu Harperis mano, kad greito skaitymo pranašumai yra akivaizdūs.

DNR tinka ieškant adatos šieno kupetoje, kai nežinote, kas tai yra, sako Harper. Tačiau, kalbant apie jautrumą ir greitį, neatrodo, kad yra kažkas, kas galėtų prilygti Kanarai. Prie lovos jis gali nustatyti, ar kas nors neserga bakterine ar virusine infekcija, net prieš atsikeliant išeidamas iš ligoninės. Tai nėra tinkama žiūrėti į tai, kas vyksta tūkstančiuose skirtingų genų, bet tai tinkama norint pateikti greičiausią ir jautriausią atsakymą.

Iš tiesų, nors didžioji dalis DARPA ankstyvosios motyvacijos finansuoti projektą kilo dėl jos susidomėjimo panaudoti skirtingų ląstelių reaktyviąsias savybes, siekiant nustatyti nežinomų patogenų savybes, o ne tirti mėginius jau žinomiems patogenams, agentūra išlieka patenkinta šia technologija. . DARPA yra viena iš tų vietų, kur neapsiriboja viena tema, sako Alanas Rudolphas, agentūros projektą prižiūrintis mokslininkas.

Tai geras dalykas Rideriui, kuriam buvo sunku apsiriboti viena tema akademinėje ar mokslinių tyrimų aplinkoje. Tiesą sakant, jo doktorantūros darbas buvo susijęs su branduolių sintezės reaktoriais, tačiau jį baigdamas jis migravo per keletą nepilnamečių, įskaitant biomediciną. Į mikrobiologiją jis pasuko po to, kai disertacijoje pademonstravo įvairių branduolių sintezės reaktorių problemas, dėl kurių jis, prisipažįsta, buvo kiek nepopuliarus reaktorių versle.

Kai kuriuos žmones nuliūdinau, todėl nusprendžiau pereiti į kitą sritį, sako Rider. Man pasisekė, kad įgijau biomedicinos diplomą.

Daktaras Frankenšteinas gali sutikti.

paslėpti