Odgarnianie wody

Nowy mikroprzepływowy chip wyprodukowany przez Fluidigm, startup z siedzibą w South San Francisco, reprezentuje dekadę kolejnych wynalazków. Ten mały kwadrat gąbczastego polimeru – tego samego typu, który stosuje się w soczewkach kontaktowych i uszczelnianiu okien – zawiera złożoną sieć mikroskopijnych kanałów, pomp i zaworów. Minutowe ilości cieczy, powiedzmy, z próbki krwi, mogą przepływać przez labirynt kanałów, by rozdzielać je zaworami i pompować do prawie 10 000 maleńkich komór. W każdej komorze można analizować nanolitry (miliardowe części litra) cieczy.

Laboratorium na chipie : Mikroprzepływowy chip Fluidigm (szary kwadrat pośrodku) wykorzystuje maleńkie kanały i zawory do manipulowania cieczami. Umożliwia szybkie i czułe testy biologiczne

Zdolność do poruszania płynami po chipie w skali mikroskopowej to jedno z najbardziej imponujących osiągnięć biochemii w ciągu ostatnich 10 lat. Chipy mikroprzepływowe, które są obecnie produkowane przez kilka firm rozpoczynających działalność i podobną liczbę odlewni uniwersyteckich, umożliwiają biologom i chemikom manipulowanie niewielkimi ilościami płynów w precyzyjny i wysoce zautomatyzowany sposób. Potencjalnych zastosowań jest wiele, w tym urządzenia przenośne do wykrywania różnych chorób i maszyny, które mogą szybko analizować zawartość dużej liczby pojedynczych komórek (każda zawiera około jednego pikolitra płynu) w celu identyfikacji np. rzadkich i śmiertelnych mutacji nowotworowych. Jednak mikrofluidyka stanowi również fundamentalny przełom w interakcji naukowców ze światem biologicznym. Życie to woda płynąca przez rury, mówi George Whitesides, chemik z Uniwersytetu Harvarda, który wynalazł wiele technologii stosowanych w mikroprzepływach. Jeśli interesuje nas życie, musimy interesować się płynami w małej skali.

Ta historia była częścią naszego wydania ze stycznia 2010 r.

• Zobacz resztę numeru
• Subskrybuj

Wyjaśniając znaczenie technologii i złożoność jej mikroskopijnego aparatu, osoby zajmujące się mikroprzepływami często porównują mikroprocesory i układy scalone. Rzeczywiście, układ mikroprzepływowy i mikroprocesor elektroniczny mają podobną architekturę, z zaworami zastępującymi tranzystory i kanałami zastępującymi przewody. Ale manipulowanie płynami przez kanały jest znacznie trudniejsze niż kierowanie elektronów wokół układu scalonego. Płyny są, no cóż, brudne. Mogą być trudne do poruszania się, często składają się ze złożonego gulaszu ze składników, mogą się przyklejać i przeciekać.

W ciągu ostatniej dekady naukowcy pokonali wiele takich wyzwań. Jeśli jednak mikrofluidyka ma kiedykolwiek stać się naprawdę porównywalna z mikroelektroniką, będzie musiała stawić czoła o wiele bardziej zniechęcającemu wyzwaniu: przejściu od obiecującego narzędzia laboratoryjnego do szeroko stosowanej technologii komercyjnej. Czy można go przekształcić w produkty, z których będą chcieli korzystać naukowcy, technicy medyczni i lekarze? Biolodzy są coraz bardziej zainteresowani systemami mikroprzepływowymi, mówi Whitesides. Ale, dodaje, czy idziesz do laboratorium i wszędzie znajdujesz te urządzenia? Odpowiedź brzmi nie. Co ciekawe, tak naprawdę nie wystartowało. Pytanie brzmi, dlaczego nie?

Rzeczy zrecenzowane

• Biomark 96,96 Tablica dynamiczna

  Fluidygmat

  
  
  

• Natura technologii: czym jest i jak się rozwija

  W. Brian Arthur
  Wolna prasa, 2009

Równie dobrze można by zadać podobne pytanie o co najmniej dwie inne ważne technologie, które pojawiły się w ciągu ostatniej dekady: medycyna oparta na genomice i nanotechnologia. Każdy rozpoczął ten wiek od znaczących przełomów i wielu fanfar. Sekwencjonowanie ludzkiego genomu zostało po raz pierwszy ogłoszone na początku 2001 roku; Narodowa Inicjatywa Nanotechnologiczna, która pomogła uruchomić większość dzisiejszych badań w dziedzinie nanotechnologii, po raz pierwszy otrzymała fundusze federalne w 2000 r. Chociaż wszystkie trzy technologie przyniosły kilka nowych produktów, żadna z nich nie przyniosła takich zmian, jakich spodziewało się wielu ekspertów. Dlaczego potrzeba tak dużo czasu, aby technologia tak oczywiście ważna i cenna jak te, wywarła wpływ? Jak tworzyć popularne produkty z radykalnie nowych technologii? A jak przyciągasz potencjalnych użytkowników?

Cierpliwość, cierpliwość
Pomimo ekonomicznego, społecznego i naukowego znaczenia technologii, proces jej tworzenia jest słabo poznany. W szczególności naukowcy w dużej mierze przeoczyli kwestię rozwoju technologii w czasie. To jest punkt wyjścia The Nature of Technology W. Briana Arthura, próba opracowania kompleksowej teorii na temat tego, czym jest technologia i jak ewoluuje. Arthur zabrał się do pracy w stosach bibliotecznych na Uniwersytecie Stanforda. Kiedy zacząłem czytać, byłem zdumiony, że niektóre z kluczowych pytań nie były zbyt głęboko przemyślane, wspominał w niedawnym wywiadzie. Chociaż wiele napisano o socjologii technologii i inżynierii, a także wiele o historii różnych technologii, powiedział, że istnieją duże luki w literaturze. Jak właściwie rozwija się technologia? Jak definiujesz technologię?

połączyć

Mapa patentów stworzona przez IPVision z siedzibą w Cambridge w stanie Massachusetts pokazuje wiele kluczowych wynalazków Stephena Quake'a i Fluidigma w ciągu ostatniej dekady, które umożliwiły stworzenie mikroprzepływowych układów scalonych tej firmy. Oś czasu pokazuje kilka kluczowych początkowych postępów i sposób, w jaki dzisiejsza mikrofluidyka wykorzystuje zarówno postęp w mikrowytwarzaniu, jak i biochemii. Taka złożona sieć wynalazków nie jest rzadkością w rozwoju nowych zespołów technologii.
Źródło: IPVision

Arthur ma nadzieję zrobić dla technologii to samo, co Thomas Kuhn zrobił dla nauki w swojej pracy The Structure of Scientific Revolutions z 1962 roku, w której opisano, w jaki sposób dochodzi do przełomów naukowych i jak są one przyjmowane. Kluczową częścią argumentacji Arthura jest to, że technologia ma swoje własne cechy i naturę i że zbyt długo była traktowana jako podporządkowana nauce lub po prostu jako nauka stosowana. Nauka i technologia są całkowicie splecione, ale różne, mówi: Nauka polega na zrozumieniu zjawisk, podczas gdy technologia tak naprawdę polega na ujarzmianiu i wykorzystywaniu zjawisk. Opierają się na sobie nawzajem.

Arthur, były profesor ekonomii i badań populacyjnych na Stanford, który obecnie jest profesorem zewnętrznym w Instytucie Santa Fe i badaczem wizytującym w Centrum Badawczym Palo Alto, jest prawdopodobnie najbardziej znany ze swojej pracy nad teorią złożoności i analizy wzrostu zwrotów, które pomogły wyjaśnić, w jaki sposób jedna firma zdominowała rynek nowej technologii. Kwestią dyskusyjną jest, czy zrealizuje swój cel sformułowania rygorystycznej teorii technologii. Książka zawiera jednak szczegółowy opis charakterystyki technologii, doprawiony ciekawymi ciekawostkami historycznymi. I zapewnia kontekst, w którym można rozpocząć zrozumienie często żmudnych i długotrwałych procesów, w których technologie są wykorzystywane komercyjnie.

Szczególnie cenne są spostrzeżenia Arthura dotyczące tego, jak różne dziedziny technologii ewoluują w różny sposób w porównaniu z poszczególnymi technologiami. Domeny, jak definiuje je Arthur, to grupy technologii, które pasują do siebie, ponieważ wykorzystują wspólne zjawisko. Elektronika to domena; jej urządzenia — kondensatory, cewki indukcyjne, tranzystory — działają z elektronami i dzięki temu naturalnie do siebie pasują. Podobnie w fotonice lasery, kable światłowodowe i przełączniki optyczne manipulują światłem. Podczas gdy pojedyncza technologia – powiedzmy, silnik odrzutowy – jest zaprojektowana do określonego celu, domena to zestaw przydatnych komponentów – konstelacja technologii – które można zastosować w wielu gałęziach przemysłu. Wynaleziono technologię, pisze Arthur. Domena wyłania się kawałek po kawałku z poszczególnych jej części.

Przekonuje, że rozróżnienie jest krytyczne, ponieważ użytkownicy mogą szybko zaadaptować indywidualną technologię w celu zastąpienia istniejących urządzeń, podczas gdy nowe domeny napotykają potencjalni użytkownicy, którzy muszą spróbować je zrozumieć, dowiedzieć się, jak z nich korzystać, określić, czy są one warte zachodu i tworzyć dla nich aplikacje. Tymczasem ci, którzy opracowują nowe domeny, muszą ulepszać narzędzia w zestawie narzędzi i wynajdywać brakujące elementy niezbędne do nowych aplikacji. Wszystko to zwykle zajmuje dekady, mówi Arthur. To bardzo, bardzo powolny proces.

Artur porusza tylko krótko, że tej ewolucji nowej technologii często towarzyszy jeszcze bardziej znajomy postęp: entuzjazm dotyczący nowej technologii, rozczarowanie inwestorów i użytkowników, ponieważ technologia nie spełnia hiperboli i powolne reemergencja w miarę dojrzewania technologii i zaspokajania potrzeb rynku.

Rozwiązanie szukające problemów
Pod koniec lat 90. mikrofluidyka (lub, jak to się czasem nazywa, laboratorium na technologii chipowej) stała się kolejnym przereklamowanym postępem w znanej im erze. Adwokaci rozmawiali o potencjale żetonów. Jednak urządzenia nie były w stanie wykonywać skomplikowanych manipulacji płynami wymaganych w wielu zastosowaniach. Reklamowano je jako zamiennik wszystkiego. To najwyraźniej nie poszło zbyt dobrze, mówi Michael Hunkapiller, inwestor venture capital w Alloy Ventures w Palo Alto w Kalifornii, który obecnie inwestuje w kilka startupów zajmujących się mikroprzepływami, w tym Fluidigm. Możliwości technologii w latach 90., jak mówi, były znacznie mniej uniwersalne niż hype.

Problem, jak mógłby to ująć Arthur, polegał na tym, że w skrzynce z narzędziami brakowało kluczowych elementów. Wśród potrzebnych komponentów na pierwszy plan wysuwały się zawory, które umożliwiałyby włączanie i wyłączanie przepływu cieczy w określonych miejscach na chipie. Bez zaworów masz tylko wąż; z zaworami możesz zbudować pompy i zacząć myśleć o sposobach budowy instalacji wodociągowej. Problem został rozwiązany w laboratorium Stephena Quake'a, wówczas profesora fizyki stosowanej w Caltech, a obecnie na wydziale bioinżynierii w Stanford. Quake i jego współpracownicy z Caltech znaleźli prosty sposób na wykonanie zaworów w mikroprzepływowych kanałach na płycie polimerowej. W ciągu dwóch lat od opublikowania artykułu o zaworach, grupa nauczyła się tworzyć mikroprzepływowy chip z tysiącami zaworów i setkami komór reakcyjnych. Był to pierwszy taki układ godny porównania z układem scalonym. Technologia została licencjonowana przez firmę Fluidigm, której Quake był współzałożycielem w 1999 roku.

Tymczasem inne laboratoria akademickie wymyśliły inne coraz bardziej złożone sposoby manipulowania cieczami w urządzeniach mikroprzepływowych. Rezultatem jest nowa generacja firm wyposażonych w znacznie wydajniejsze technologie. Mimo to wielu potencjalnych użytkowników pozostaje sceptycznych. Po raz kolejny mikrofluidyka znajduje się w znanej fazie rozwoju technologii. Jak wyjaśnia David Weitz, profesor fizyki na Harvardzie i współzałożyciel kilku firm zajmujących się mikroprzepływami: To wspaniałe rozwiązanie, które wciąż szuka najlepszych problemów.

Możliwości jest mnóstwo. Naukowcy biomedyczni zaczęli wykorzystywać mikrofluidykę, aby przyjrzeć się, w jaki sposób poszczególne komórki wyrażają geny. W jednym eksperymencie badacze raka wykorzystują jeden z chipów Fluidigm do analizy komórek guza prostaty, szukając wzorców, które pomogłyby im wybrać leki, które najskuteczniej zwalczą nowotwór. Ponadto firma Fluidigm wprowadziła niedawno chip przeznaczony do hodowli komórek macierzystych w precyzyjnie kontrolowanym mikrośrodowisku. Obecnie, gdy komórki macierzyste hodowane są w laboratorium, naśladowanie warunków chemicznych żyjących zwierząt może być trudne. Jednak małe grupy komórek macierzystych można podzielić na sekcje mikroprzepływowego chipa i kąpać w kombinacjach biochemikaliów, co pozwoli naukowcom zoptymalizować warunki wzrostu.

A mikrofluidyka mogłaby stworzyć tanie i przenośne urządzenia diagnostyczne do użytku w gabinetach lekarskich, a nawet w odległych klinikach. Teoretycznie próbkę, powiedzmy, krwi można by upuścić na chip mikroprzepływowy, który wykonałby niezbędny test biologiczny – zidentyfikowanie wirusa, wykrycie charakterystycznych białek nowotworowych lub znalezienie biochemicznych oznak zawału serca. Jednak w diagnostyce medycznej, podobnie jak w badaniach biomedycznych, mikroprzepływy nie zostały jeszcze powszechnie przyjęte.

Ponownie, analiza Artura dostarcza wyjaśnienia. Użytkownicy, którzy spotykają się z nowymi narzędziami, muszą określić, czy są one warte zachodu. W przypadku wielu zastosowań diagnostycznych biolodzy muszą lepiej zrozumieć, które biochemikalia należy wykryć, aby opracować testy. Tymczasem ci, którzy opracowują urządzenia mikroprzepływowe, muszą sprawić, że urządzenia będą łatwiejsze w użyciu. Jak przypomina nam Arthur, nauka i technologia muszą opierać się na sobie, a technolodzy muszą wymyślać brakujące elementy, których chcą użytkownicy; jest to powolna, żmudna ewolucja.

Często trudno jest przewidzieć, jakie będą te brakujące elementy. Hunkapiller przypomina historię komercjalizacji zautomatyzowanego sekwencera DNA, maszyny, którą on i jego koledzy wynaleźli w Caltech i która została skomercjalizowana w 1986 roku w Applied Biosystems. (Maszyna pomogła w urzeczywistnieniu Projektu Ludzkiego Genomu.) Czasami to dziwna rzecz, która sprawia, że ​​technologia startuje, mówi. Zautomatyzowane sekwencjonowanie stało się popularne dopiero około 1991 lub 1992 roku, mówi, kiedy firma wprowadziła zestaw do przygotowywania próbek. Chociaż nie był to szczególnie imponujący postęp techniczny – z pewnością nie na poziomie samego zautomatyzowanego sekwencera – zestaw miał ogromny wpływ, ponieważ ułatwił korzystanie z maszyn i doprowadził do bardziej wiarygodnych wyników. Nagle, wspomina, sprzedaż gwałtownie wzrosła: nie było już nic wielkiego, żeby zapłacić 100 000 dolarów za maszynę.

W niedawnym wywiadzie Whitesides zademonstrował mikroprzepływowy chip wykonany z papieru, w którym ciecze są odprowadzane przez kanały do ​​maleńkich komór, w których przeprowadzane są reakcje testowe. Potem wyciągnął z pudełka nowy smartfon, wciąż w plastikowym opakowaniu. Co by było, gdyby, pomyślał, mógłbyś w jakiś sposób wykorzystać aparat telefonu do przechwytywania danych z mikroczipa i wykorzystać jego moc obliczeniową do przetwarzania wyników, zamiast polegać na nieporęcznych, dedykowanych czytnikach? Prosty odczyt w telefonie może dostarczyć użytkownikowi potrzebnych informacji. Ale zanim to nastąpi, przyznał, potrzebne będą różne inne postępy. Rzeczywiście, jakby przypominając sobie o trudnej pracy, która czeka, Whitesides szybko wsunął smartfon z powrotem do pudełka.

David Rotman jest redaktorem Przegląd technologii .

ukryć