Niebieskie światło, czerwone światło

To zarozumiałość w stylu Frankensteina, ale biolog Todd H. Rider ‘91, SM ‘91, SM ‘94, PhD ‘95, nigdy nie stronił od myśli, że może być szalonym naukowcem. W rzeczywistości on to obejmuje. Jego wzorem do naśladowania są dzikowłosi naukowcy z filmów, ci z renegackimi aspiracjami i niechęcią do stania na metodologicznych ceremoniach. Pożycza nawet ich wiersze. Przed jednym eksperymentem, który wymagał od niego wciśnięcia przełącznika, krzyknął: Daj mojemu stworzeniu życie!

Myślę, że zaskoczyłem wielu ludzi, mówi teraz.

35-letni mieszkaniec Arkansas specjalizuje się w polowaniu na coś, co wiele osób uważa za bardziej przerażające niż potwór Frankensteina: zabójcze zarazki i wirusy.

Rider i jego zespół z Lincoln Laboratory zwrócili w lipcu uwagę całego kraju za prace nad nowatorskim systemem wykrywania potencjalnie śmiertelnych patogenów, takich jak wąglik czy choroba legionistów, których od dawna się obawiano, ale stały się jeszcze bardziej przerażające ze względu na możliwość ich wystąpienia. zastosowanie w broni biologicznej. Znany jako analiza komórkowa i powiadamianie o ryzyku i wydajności antygenów lub w skrócie Canary, detektor opracowany przez Ridera wykorzystuje białe krwinki – pierwszą linię obrony organizmu przed chorobami – do testowania substancji na obecność niektórych patogenów.

W przeciwieństwie do obecnych systemów wykrywania, które wykorzystują reakcje wzmacniające DNA, które mogą zająć godzinę lub dłużej, technika Ridera dostarcza informacji w ciągu kilku sekund. Ponieważ społeczeństwo ociera się o zagrożenie wojną biologiczną i bioterroryzmem, a miasta poddawane są kwarantannie z powodu szybko rozprzestrzeniających się wirusów, takich jak SARS, potencjał detektora do zapewniania odczytów na miejscu może prowadzić do różnych zastosowań w pierwszej reakcji, od odczytu śluz dostarczony przez tajemniczo chorego gościa z izby przyjęć do testowania białego proszku wkrótce po tym, jak wyleci z koperty. Rider wierzy również, że detektor można przystosować do wyciągania cząstek z powietrza, aby określić, czy broń biologiczna została wypuszczona na pole bitwy.

Poprawianie naturalnej reakcji

Natura, mówi Rider, już pokazuje, że białe krwinki wykrywają patogeny. Kiedy przeciwciała na takiej komórce wiążą się z wirusem lub bakterią, wyzwalają sygnał wapnia. To powoduje, że komórka wchodzi na wojenną ścieżkę i walczy z najeźdźcami. Rider wierzył, że gdyby znalazł prosty sposób na wykrycie sygnału wapnia, mógłby opracować czujnik patogenu.

To sprytne, mówi dr David Relman, profesor Uniwersytetu Stanforda, który bada wykrywanie patogenów. Podoba mi się pomysł zakooptowania systemu biologicznego, który jest już zaprogramowany na szybką reakcję.

Ale kiedy Rider po raz pierwszy zaczął pracować nad tym pomysłem, wkrótce po przybyciu do Lincoln Lab w 1997 roku, ludzie nie byli tak otwarci. Mówi, że wiele osób w Lincoln Lab nie potraktowało tego zbyt poważnie. Ponadto Lincoln Lab nie posiadało laboratorium biologicznego. Tak więc młody naukowiec, w tym czasie 28 lat, mający zaledwie rok w prawdziwym świecie po dziewięciu latach w MIT, był zmuszony znaleźć miejsce na ławce w kampusie, dopóki nie mógł zaprojektować białej krwinki, która ujawniłaby reakcję wapniową.

Rider znalazł to miejsce w laboratorium profesora biologii Jianzhu Chen. Chen, który zajmuje się badaniami immunologicznymi, pomógł także Riderowi uzyskać wczesne finansowanie od tłumu płaszcza i sztyletu, który zasilił większość rozwoju Canary. Amerykańska Agencja Zaawansowanych Projektów Badawczych Obrony (DARPA), powiązane z wojskiem USA źródło finansowania projektów naukowych, była zainteresowana wykrywaniem patogenów, a zespół Ridera udał się do Waszyngtonu, aby dokonać ostatecznie udanej prezentacji.

Mając za sobą odpowiednie zasoby, Rider mógł rozpocząć badania białka, które od dawna uważał za obiecujące: ekworynę, która pochodzi ze świecącej meduzy Równe zwycięstwo i ma dobrze udokumentowaną zdolność do wytwarzania światła w odpowiedzi na wapń. Rider użył elektryczności do wydmuchania dziur w białych krwinkach pobranych od myszy, a następnie przekazał tym komórkom instrukcje genetyczne meduzy dotyczące produkcji ekworyny. Teoria była taka, że ​​gdy przeciwciała na powierzchni komórek zwiążą się z ich patogenami, uruchomią sygnał wapniowy, który aktywuje ekworynę i sprawi, że komórki będą świecić na niebiesko. To niebieskie światło, choć niewidoczne gołym okiem, można było zmierzyć za pomocą luminometru, który przesyłałby wyniki do komputera, który generował odczyt.

W połowie 1998 roku Rider zaprogramował komórki tak, aby emitowały światło w odpowiedzi na fosforylocholinę-albuminę jaja kurzego, bezpieczną chemiczną substytut dla wirusów i bakterii. Ale zasada była taka sama, a ten początkowy sukces nadał koncepcji wiarygodności Riderowi, której potrzebował do kontynuowania.

Następnie on i jego zespół przenieśli się z powrotem do Lincoln Lab i zaczęli szukać przeciwciał przeciwko patogenom, czerpiąc z wachlarza chorobotwórczych bakterii i wirusów badanych w innych laboratoriach. Po wielu próbach i błędach biolog Martha Petrovick opracowała nową wersję narzędzia do inżynierii genetycznej znanego jako wektor DNA, które umożliwiło Riderowi i jego zespołowi produkcję białych krwinek z przeciwciałami na ich powierzchni, które reagowały na określone patogeny. Należą do nich wąglik, dżuma dymienicza, patogenny szczep E coli , chlamydia, ospa i pół tuzina innych wirusów i bakterii obawiało się ich potencjalnie negatywnego wpływu na zdrowie publiczne lub użycia w broni bioterrorystycznej.

Jednak zespół wciąż borykał się z jednym kluczowym problemem: białe krwinki i patogeny miały problemy ze zlokalizowaniem się nawzajem podczas testów. Reakcja trwała zbyt długo, a sygnał z luminometru był zbyt niski. Musieliśmy wymyślić jakiś sposób, aby reakcja była szybsza i bardziej wyraźna, mówi dr James Harper, pracownik Lincoln Lab, który kierował inżynierią sprzętu dla Canary.

Rozwiązaniem było użycie wirówki do wirowania materiału komórkowego próbki w kierunku dna pojemnika, dodanie białych krwinek i wirowanie ich na wierzchu próbki, zmuszając je do bliskiego kontaktu ze sobą. To, co zajęło minuty, teraz trwało sekundy.

W wielu z tych systemów ograniczeniem jest transport masowy” – mówi Duane Lindner ‘72, zastępca dyrektora programów chemii i biologii w Sandia National Laboratories w Livermore w Kalifornii, która opracowuje własne systemy wykrywania patogenów. Potrzeba dużo czasu, aby te wielkie rzeczy znalazły się na sobie. Ich praca pokazała, jak szybkie mogą być systemy.

Szybki i prosty Może?

To właśnie ta prędkość zainteresowała zarówno wojsko, jak i prywatne firmy potencjałem nowego detektora. Jeszcze przed atakami terrorystycznymi z 11 września 2001 r. wojsko interesowało się czymś, co mogłoby analizować powietrze pod kątem broni biologicznej. Agencje zdrowia publicznego również były chętne na coś, co mogłoby szybko sprawdzić dostawę żywności dla E. coli. Niedawne obawy dotyczące tajemniczych, prawdopodobnie naładowanych wąglikiem białych proszków wysyłanych pocztą amerykańską oraz strach przed szybko rozprzestrzeniającymi się wirusami, takimi jak SARS, sprawiły, że ratownicy i klinicyści są tak samo zainteresowani wykrywaniem patogenów, jak wojsko.

Technologia stosowana na Wyspach Kanaryjskich jest bliska możliwości dostosowania do wielu z tych zastosowań, twierdzą jej twórcy, którzy wierzą, że obecny prototyp wirówki, luminometru i komputera można by włączyć do zestawu do testów terenowych wielkości walizki. przy koszcie sprzętu wynoszącym od 7 000 do 10 000 USD.

Celowo projektujemy go, aby był bardzo łatwy w użyciu, mówi Rider. Niektóre z obecnych systemów wymagają dość intensywnego szkolenia. Chcemy, aby był użyteczny dla żołnierzy armii, personelu medycznego, ratowników. Po prostu dodasz próbkę do komórki i sprawdzisz, czy świeci.

Rider opracowuje również coś, co żartobliwie nazywa gigantycznym chrapaczkiem, który zasysa cząsteczki z powietrza w wrażliwych miejscach i testuje je. Zastosowane w urządzeniu komórki detekcyjne mogą teraz przetrwać do dwóch tygodni, zanim będą musiały zostać wymienione. Chociaż Rider nazywa komórki zaskakująco odpornymi, inni twierdzą, że nie są one wystarczająco wytrzymałe, szczególnie w przypadku jednego z głównych celów obrony cywilnej, systemu, który będzie autonomicznie pobierał próbki z powietrza i testował je pod kątem patogenów.

Jeszcze inni uważają, że jego proces przewyższa konkurencję. Technologie wykrywania oparte na DNA, choć nie tak szybkie jak Canary, ostatecznie będą w stanie jednocześnie testować szeroki wachlarz patogenów, a nawet ujawniać cechy genetyczne tych organizmów, których nie można łatwo zidentyfikować. Canary zbytnio skupia się na konkretnych organizmach, mówi Calvin Chue, badacz z Centrum Strategii Bioobrony Cywilnej w Johns Hopkins. Gdybym dał ci nieznany patogen, musiałbyś przeprowadzić wszystkie swoje specyficzne szybkie testy. Ponieważ może to obejmować kilkanaście lub więcej przebiegów, analiza nie jest już tak szybka. Nawet po zakończeniu biegu nadal możesz mieć na rękach coś nieznanego i nie możesz zakładać, że jest ono łagodne.

Jednak Rider ma nadzieję, że w przyszłości Canary będzie w stanie przeprowadzać wszelkiego rodzaju analizy, które są w stanie wykonać konkurencyjne technologie oparte na DNA. W międzyczasie Harper uważa, że ​​korzyści płynące z szybkiego czytania są oczywiste.

DNA jest dobre do szukania igły w stogu siana, gdy nie wiesz, co to za igła, mówi Harper. Ale jeśli chodzi o czułość i szybkość, nie wydaje się, żeby było coś, co mogłoby dorównać Canary. Ma potencjał, aby przy łóżku określić, czy ktoś ma infekcję bakteryjną lub wirusową, jeszcze zanim wstanie, by opuścić szpital. Nie jest dobry do patrzenia na to, co dzieje się w tysiącu różnych genów, ale jest dobry w udzielaniu najszybszej i najbardziej wrażliwej odpowiedzi.

Rzeczywiście, podczas gdy wiele wczesnych motywacji DARPA do finansowania projektu wynikało z zainteresowania wykorzystaniem reaktywnych właściwości różnych komórek do określania cech nieznanych patogenów, zamiast testowania próbek pod kątem tych, które są już znane, agencja jest zadowolona z technologii . DARPA to jedno z tych miejsc, w których nie jesteś ograniczony do jednego tematu, mówi Alan Rudolph, naukowiec nadzorujący projekt dla agencji.

To dobra rzecz dla Ridera, który miał trudności z ograniczeniem się do jednego tematu w środowisku akademickim lub badawczym. Jego praca doktorska w rzeczywistości dotyczyła reaktorów termojądrowych, ale migrował przez kilku nieletnich, w tym biomedycynę, podczas jej ukończenia. Zwrócił się do mikrobiologii po tym, jak jego rozprawa doktorska wykazała problemy z różnymi reaktorami termojądrowymi, czyniąc go, jak przyznaje, nieco niepopularnym w branży reaktorów.

Zdenerwowałem niektórych, więc zdecydowałem się przenieść na inną dziedzinę, mówi Rider. Miałam szczęście, że ukończyłam biomedycynę.

Dr Frankenstein może się zgodzić.

ukryć