„Nanobiotech“ nustato diagnozę

Žvelgdamas į elektros skaitiklį, Yi Cui, Harvardo universiteto chemiko Charleso Lieberio laboratorijos magistrantas, laukia nepaprasto, itin jautrios diagnostikos žygdarbio įrodymų. Jo taikinys yra prostatos vėžys. Jo naujas įrankis yra mikroschema, turinti 10 silicio laidų, kurių kiekvienas yra vos 10 nanometrų (milijardinių metro dalių). Šie nanolaideliai buvo apibarstyti biologinėmis molekulėmis, turinčiomis afinitetą PSA – baltymui, kuris tam tikro amžiaus vyrams yra per daug pažįstamas kaip įspėjamasis prostatos vėžio požymis. Jei eksperimentas vyks pagal planą, kai PSA molekulės prisijungs prie nanolaidelių, bus aptinkamas elektrinis signalas.

Cui per lustą nuplauna tirpalą, kuriame yra prostatos vėžio baltymų. Matuoklis iš karto užregistruoja subtilius pokyčius, rodančius ne tik tai, kad prietaisas aptiko baltymą, bet ir kad aptiko gal tik tris ar keturias molekules, akimirksniu ir minimaliai paruošiant mėginį – tai anksčiau negirdėtas žygdarbis. Diagnostikos pasekmės yra didžiulės. Sėkmingas prostatos vėžio tyrimas turi atskirti normalų ir padidėjusį baltymų kiekį. Itin jautrūs jutikliai, tokie kaip Lieber's, gali pastebėti menkiausią padidėjimą; be to, jie galėtų tai padaryti naudodami pigius, vienkartinius tyrimus, kuriuos pacientai galėtų naudoti namuose tarp apsilankymų pas gydytoją. Jei man kiltų rizika susirgti tam tikru vėžiu, nenorėčiau rizikuoti ir laukti, kol kai kurios vėžio ląstelės išaugs nekontroliuojamai per metus, nes ankstesniame tyrime to nepavyko, sako Lieberis.

Ši istorija buvo mūsų 2002 m. gegužės mėnesio numerio dalis

• Žr. likusią numerio dalį
• Prenumeruoti

Nors šis nanovielinis prietaisas yra tik eksperimentinis prototipas, jis yra vis didėjančių laboratorijų pastangų visame pasaulyje, siekiant sujungti nanoelektroniką ir biologiją į naują sritį, vadinamą nanobiotechnologija, priešakyje. Ši hibridinė disciplina gamina įvairius įrankius – nuo ​​mažyčių jutiklių matricų, galinčių aptikti konkrečias biologines molekules, iki mikroskopinių sistemų, iškirptų iš silicio, galinčių nuskaityti atskiras DNR grandines, galinčias atverti naują langą į biologines molekules.

Poveikis medicinai ir biotechnologijoms yra didžiulis. Šie prietaisai gali ne tik užuosti pačius ligos kvapus arba galbūt aptikti vieną juodligės sporą, bet ir padėti daug greičiau ir lengviau diagnozuoti sudėtingas ligas. Pavyzdžiui, jie galėtų iš anksto įspėti apie širdies priepuolius, kurių vizitinės kortelės yra subtilūs dešimčių baltymų mišinio pokyčiai. Arba viena mikroschema galėtų suteikti išsamią diagnozę iš kraujo lašo. Narkotikų tyrinėtojams nanobiotechniniai prietaisai gali reikšti naujas priemones, leidžiančias greičiau atrasti ir įvertinti galimus vaistus, vienu metu tikrinant milijonus skirtingų vaistų kandidatų. Kai kuriems iš šių ambicingesnių tikslų pasiekti greičiausiai prireiks metų, tačiau nanobiotechnologijos gali padėti sukurti tikrus įrenginius, kurie jau po dvejų metų sudėtingas laboratorijoje atliekamas procedūras pradės pakeisti pigiomis, tiksliomis mikroschemomis.

Šie pirmieji produktai – lustai, skirti aptikti konkrečią ligą ar genetinių sutrikimų grupę – jau kuriami beveik keliolikoje nanobiotechnologijų startuolių. (žr. „Sėkmės jutimas“) . Larry Bockas, Kalifornijoje įsikūrusio startuolio „Nanosys“ „Palo Alto“ generalinis direktorius [ VAIKAI valdybos narys Robertas Metcalfe'as yra „Nanosys“ įkūrėjas ir direktorius. Red.], kuris licencijavo Lieberio technologiją, prognozuoja, kad jo įmonė per trejus metus parduos komercinį jutiklį, iš pradžių panaudotą kaip tyrimo pagalbinę priemonę norint greitai ištirti galimus vaistus, o vėliau kaip pigų, vienkartinį prostatos vėžio ir prostatos vėžio testą namuose. galbūt kitų vėžio formų. Žmonės kalba apie visus nanotechnologijų stebuklus, bet tada sako, kad tai neįvyks dar 20 metų, sako Chadas Mirkinas, chemikas ir Šiaurės Vakarų universiteto Nanotechnologijų instituto direktorius. Bet tai visiškai neteisinga tokiems dalykams kaip diagnostika. Per ateinančius dvejus metus jūs pamatysite produktus rinkoje.

Galia skaičiuose

Biologija ir elektronika jau seniai egzistavo atskirose visatose. Tačiau kadangi biologinės molekulės, tokios kaip DNR ir baltymai, yra maždaug kelių nanometrų dydžio, o fizikai ir chemikai dabar mokosi, kaip sukurti būtent tokio dydžio elektroninius prietaisus, šios visatos susiduria. Rezultatas – nauja prietaisų klasė, kuri apjungia biologinių molekulių gebėjimą selektyviai jungtis su kitomis molekulėmis su nanoelektronikos galimybe akimirksniu aptikti nedidelius elektrinius pokyčius, kuriuos sukelia toks surišimas. Ši technologija tikrai įdomi yra ta, kad ji leidžia paimti neorganinius komponentus, kurie paprastai būtų įtaisyti elektros lusto viduje, ir sujungti juos su biologinėmis molekulėmis, sako Paulas Alivisatosas, mokslinis „Nanosys“ įkūrėjas ir Kalifornijos universiteto Berklio chemikas. .

Iš tiesų, nanoelektroniniai prietaisai, tokie kaip tie, kurie buvo pastatyti Lieberio laboratorijoje (matyti Jautrus laidas ) galėtų atsisakyti sudėtingo aparato, dabar reikalingo ultrajautrumo aptikimui. Jei šiandien norėtumėte atlikti vienos molekulės aptikimą laboratorijoje, jums reikės stalo ilgio lazerio ir daug sudėtingos optikos, cheminių etikečių, kad signalas būtų pakankamai sustiprintas, kad galėtumėte jį pamatyti, sako Bockas.

Tokių itin jautrių prietaisų sumažinimas tiek, kad juos būtų galima įdėti į lustą, diagnostikoje būtų galima pritaikyti daugybę pritaikymų. Pavyzdžiui, Stanfordo universiteto chemikas Hongjie Dai sukūrė prietaisą, kuris gali aptikti gliukozę vienu anglies nanovamzdeliu – didele anglies molekule, pasižyminčia puikiomis elektrinėmis savybėmis. (matyti Nanovamzdinis kompiuteris , VAIKAI 2002 m. kovo mėn.) . Gliukozės molekulės reaguoja su nanovamzdelio paviršiuje esančiomis molekulėmis, sukurdamos elektrinius signalus, atitinkančius gliukozės koncentraciją, sako jis. Nors šiandien tai tik koncepcijos įrodymas, tokį prietaisą būtų galima sukurti į implantuojamą gliukozės jutiklį diabetikams. Gruodžio mėnesį „Dai“ pristatė „Molecular Nanosystems“ Palo Alto mieste, Kalifornijoje, siekdama komercializuoti nanovamzdelių pagrindu veikiančius prietaisus, įskaitant biojutiklius.

Tačiau daugeliui programų tikrai reikia ne vieno nano detektoriaus, o tankaus jų rinkinio. Tokiu būdu viename kraujo ar kito kūno skysčio laše galite greitai ieškoti tūkstančių, net milijonų skirtingų biologinių molekulių, leidžiančių diagnozuoti ligas, turinčias sudėtingų molekulinių požymių. Viena iš tokių ligų yra reumatoidinis artritas – autoimuninė liga, turinti daugybę variantų, kurių kiekvienas pasižymi subtiliais baltymų grupių skirtumais. Idealiu atveju su kiekvienu variantu būtų kovojama su kiek skirtingu traktavimu; praktiškai su sergančiaisiais šiandien elgiamasi taip pat. Tačiau, sako Dai, nano masyvas galėtų būti labai tikslus ir išskirtinis diagnostikos prietaisas, suteikiantis individualaus gydymo planą.

Šios nanodetektorių matricos žada pranašumų, palyginti su esamomis technologijomis, tokiomis kaip DNR lustai, ir kuriamos technologijos, pavyzdžiui, baltymų lustai. Visiems tokiems lustams reikalingas fluorescencinis molekulių žymėjimas ir optiniai mikroskopai, kad būtų galima aptikti švytėjimą, išsiskiriantį jungiantis (žr. DNR lustai tikslinį vėžį, VAIKAI 2001 m. liepos / rugpjūčio mėn.) . Be to, maždaug tūkstantis molekulių turi prisijungti prie kiekvieno jutimo elemento, kad sukurtų švytėjimą. Naudojant nanoelektroniką, nereikia didelės, brangios įrangos, o galima akimirksniu aptikti vos kelias molekules.

Jautrus laidas

Norint aptikti su liga susijusį baltymą kraujo mėginyje, vos 10 nanometrų pločio silicio viela padengiama biomolekulėmis, kurios jungiasi tik su tuo baltymu (toliau). Kai ligos baltymas prisijungia prie molekulės ant vielos (įdėklo), laido laidumas pasikeičia, suteikdamas momentinį elektrinį signalą.

Lipni DNR

Tačiau jutikliai su nanoskalės ypatybėmis gali būti sėkmingi tik tuo atveju, jei jie yra pakankamai lipnūs, kad galėtų sugriebti dominančias molekules. Šiaurės vakarų Mirkinas mato aukso vertę: ypač nanomastelio aukso daleles, prie kurių jis pritvirtina kelis DNR fragmentus, kurie gali užsifiksuoti prie DNR taikinių. Kiekviena aukso dalelė tampa kaip Velcro, sako jis. Mirkinas sako, kad per ateinančius 18 mėnesių jis ir jo kolegos sukurs paprastą gydytojo kabinete skirtą diagnostikos prietaisą, galintį akimirksniu diagnozuoti ligas ar polinkį į ligas, priklausomai nuo to, kokie DNR fragmentai naudojami įrenginyje. Mirkinas teigia, kad mikroschemos bus sukurtos ligų grupėms, įskaitant lytiniu keliu plintančias ligas, cistinę fibrozę ir genetinį polinkį į gaubtinės žarnos vėžį bei kraujo hiperkoaguliaciją (kraują, kuris per daug krešėja).

Mirkino prototipo lustas, kurį kuria Northbrook, IL pagrindu sukurta bendrovė „Nanosphere“, kurią jis įkūrė, naudoja DNR, nusodintą tarp mikroschemoje esančių elektrodų, kad atpažintų dominančius taikinius. Mėginys sumaišomas su Velcro aukso dalelėmis ir nuplaunamas ant lusto. Jei mėginyje yra tikslinė DNR, tarkime, genetinė medžiaga iš sifilio bakterijos, DNR prisijungs prie tų lipnių aukso dalelių, o paskui prie DNR fragmentų tarp elektrodų. Aukso dalelės uždaro grandinę ir sukuria aptinkamą signalą. Kuo daugiau elektrodų jutimo elementų vienoje lustoje, tuo daugiau ligų ar genetinių polinkių galima aptikti.

Mirkino grupė pritaiko procesą, žinomą kaip nanolitografija, kad įgytų galimybę tiesiogine prasme spausdinti DNR molekules tarp elektrodų tik 200 nanometrų atstumu vienas nuo kito. Mirkinas tikisi į vieną lustą supakuoti šimtus, net tūkstančius elektrodų jutimo elementų.

Spausdinimo molekulės Panardinamoje nanolitografijoje molekulės spausdinamos tiesiai ant lusto paviršiaus.

Konsolių matricos (aukščiau) nusodina milijonus, net milijardus skirtingų molekulių ant paviršiaus; Tais atvejais, kai atspausdintos molekulės jungiasi su specifiniais genais ar baltymais, lustas gali būti naudojamas ligoms diagnozuoti ar vaistams atrasti. Kiekvienos konsolės arba rašiklio gale yra vos kelių atomų pločio silicio antgalis (kairėje). Antgaliui judant į šoną, prie jo šonų pritvirtintos molekulės į paviršių ištraukiamos vandens menisku, kuris susidaro po galu. Vertikalus kiekvienos konsolės judėjimas yra valdomas termiškai, todėl atskiri rašikliai gali pradėti ir sustabdyti spausdinimą.

Mirkin technologija mėginyje gali rasti konkrečiai tikslinę DNR. Bet jei iš tikrųjų galėtumėte paimti vieną DNR gabalėlį ir tiesiogiai perskaityti jos genus, teoriškai galėtumėte nustatyti bet kurį geną ar net sudėtingus genų modelius. Naudodami įrankius, pritaikytus puslaidininkių gamyboje, fizikas Haroldas Craigheadas iš Kornelio nanobiotechnologijų centro ir jo buvęs postdoc Stephenas Turneris sukūrė silicio lustą su mažyčiais kanalais, kurių kiekvienas yra 50 nanometrų pločio ir gylio. (matyti DNR vamzdynas , žemiau) . Kanalas yra toks mažas, kad viena DNR grandinė vos gali prasiskverbti, ir tai tik esmė. Dėl elektrinio lauko įprastai susisukęs DNR rutulys atsitrenkia į kanalą, išsivynioja ir sriegia žemyn.

Paėmus DNR, ją reikia nuskaityti, kad būtų galima pamatyti, pavyzdžiui, ar joje yra tam tikra seka. Kad seka būtų įskaitoma, mokslininkai iš anksto į mėginį prideda fluorescencine spalva pažymėtų DNR zondų; zondai jungiasi prie tikslinių sekų. Kiekvienai DNR molekulei judant žemyn kanalu, optinis detektorius identifikuoja pro šalį einančias fluorescencines etiketes. Su DNR elgiamės kaip su įrašymo laikmena, sako Turneris, kuris dabar yra „Nanofluidics“, startuolio, bandančio komercializuoti Kornelio technologiją, prezidentas. Ir kaip kasečių grotuvas grojame DNR. Nors Kornelio tyrėjai šiuo metu juostelei nuskaityti naudoja išorinį optinį mikroskopą, jie tikisi sukurti optinį skaitytuvą tiesiai ant lusto naudojant optinius pluoštus. Turneris per ateinančius kelerius metus tikisi turėti veikiantį įrenginį.

Kadangi šių mažyčių kanalų gamybos įrankiai priklauso nuo tos pačios standartinės įrangos, kuri naudojama gaminant mikroelektronikos silicio lustus, Turneris numato nanofluidines lustus su tūkstančiais ir net milijonais kanalų ir optinių skaidulų. Turner sako, kad naudojant tokius prietaisus gydytojai vieną dieną galėtų paimti iš paciento kraujo lašą, numesti jį ant mikroschemos ir greitai nuskaityti mėginyje esančią DNR genetinius ligos žymenis. Prietaisas taip pat galėtų padėti gydytojams parinkti pacientui tinkamus vaistus.

DNR vamzdynas

Norėdami nustatyti tam tikrą seką DNR grandinėje, mokslininkai pirmiausia sumaišo DNR su fluorescenciniais zondais, kurie prisijungia prie tos sekos. Tada mikroschemoje (aukščiau) elektrinis laukas traukia DNR per 50 nanometrų pločio kanalą. Integruotas optinis skaitytuvas aptinka visus prijungtus zondus ir nustato seką.

DNR kontrolė

Nanoelektronikos ir biologijos santuokoje pati ekstremaliausia vizija apima elektroninių prietaisų pritvirtinimą tiesiai prie molekulių. Siekdama parodyti, kaip tai gali veikti ir kodėl tai gali būti naudinga, MIT Media Lab komanda, vadovaujama fiziko Josepho Jacobsono ir biomedicinos inžinieriaus Shuguang Zhang, prie DNR dalies pritvirtino aukso daleles, kurių kiekvienos skersmuo tik 1,4 nanometro. Kiekviena aukso dalelė tarnavo kaip mažytė antena. Tada mokslininkai paveikė DNR radijo dažnio magnetiniais laukais, todėl dalelės įkaisdavo, o dvigrandė DNR suskilo į dvi grandines. Kai jie pašalino magnetinį lauką, sruogos iškart susijungė. Dabar mes turime labai galingą ir naudingą įrankį, galintį valdyti dalykus molekuliniu lygiu, sako Zhang. Kol kas nėra įrankių, galinčių tai padaryti. Galimybė valdyti vieną atskirą molekulę molekulių minioje yra labai vertinga.

Ši vertė, priduria postdoc Kimberly Hamad-Schifferli, daugiausia kyla dėl galimo gebėjimo įjungti ir išjungti genus. Norėdami tai padaryti, MIT tyrėjai galėjo prijungti DNR fragmentus prie aukso dalelių. Pridėjus prie DNR mėginio, fragmentai prisijungtų prie papildomų genų sekų, blokuotų tų genų aktyvumą ir veiksmingai juos išjungtų. Taikant magnetinį lauką, aukso dalelės būtų įkaitintos, o prie jų prijungti DNR fragmentai atsiskirtų, o tai iš tikrųjų vėl įjungtų genus. Toks įrankis galėtų suteikti farmacijos tyrėjams galimybę imituoti galimų vaistų, kurie taip pat įjungia ir išjungia genus, poveikį. MIT neseniai licencijavo šią technologiją biotechnologijų startuoliui Waltham, MA pagrindu veikiančiai engeneOS.

Nors nuotolinis DNR valdymas gali atrodyti labiau kaip salono triukas, o ne tai, ką gali panaudoti jūsų gydytojas, tokie eksperimentai rodo, kad nanoelektronika gali stipriai sąveikauti su biologija. Tokios medžiagos kaip nanolaideliai ir nanovamzdeliai, kurias pastaraisiais metais plačiai tyrinėjo fizikai ir chemikai, dabar yra biomedicinos inžinierių, tokių kaip MIT Zhang, rankose – tai turi didžiulį poveikį viskam – nuo ​​vaistų atradimo iki ligų, tokių kaip prostatos vėžys, diagnozavimo. Nors sunku nuspėti nugalėtojus tarp šių daugybės technologijų, Berkeley's Alivisatos sako, kad manau, kad visi šie dalykai ras konkurencinių nišų.

Greita, pigi mikroelektronika padarė perversmą kompiuterijos ir informacinių technologijų pasaulyje. Vis dar neaišku, ar nanoelektronika gali pakeisti mediciną. Tačiau atotrūkis tarp elektronikos ir biologijos greitai mažėja, o biomedicinos tyrinėtojai ir net gydytojai netrukus turės įrankių, leidžiančių ištirti pagrindines gyvybės molekules taip, kaip prieš kelerius metus atrodė fantazija.

Sėkmės jutimas
Kai kurios nanobiotechnologijų įmonės

Bendrovė	Technologijos šaltinis	Strategija
Agilent technologijos (Palo Altas, Kalifornija)	Harvardo universitetas	Medžiagos su nano dydžio poromis DNR analizei
engeneOS (Waltham, MA)	SU	Aukso nanodalelės, skirtos nuotoliniam biologinių molekulių valdymui
Molekulinės nanosistemos (Palo Altas, Kalifornija)	Stanfordo universitetas	Anglies nanovamzdeliai, skirti biologinėms molekulėms aptikti
Nanofluidikai (Itaka, NY)	Kornelio universitetas	Lustai su nanoskalės kanalais DNR analizei
NanoInk (Čikaga, IL)	Šiaurės Vakarų universitetas	Dip-pen nanolitografija, skirta projektuoti biologines molekules ir struktūras
Nanosfera (Nortbrukas, IL)	Šiaurės Vakarų universitetas	Elektrodų / aukso nanodalelių detektoriai, skirti DNR ir patogenams aptikti
Nanosys (Palo Altas, Kalifornija)	Harvardo universitetas	Nanolaideliai biologinėms molekulėms aptikti
SurroMed (Mountain View, CA)	Pensilvanijos valstijos universitetas	Nanobrūkšniniai kodai, skirti ženklinti biologines molekules
JAV genomika (Woburn, MA)	JAV genomika	Nanokristalinė gardelė DNR analizei

paslėpti