Лаборатория на чипе

      Каждый из нас хотя бы раз в жизни сдавал, к примеру, анализ крови. При этом результатов анализа, как правило, приходилось ждать несколько дней, а то и недель – ведь сначала образец попадал в лабораторию, дожидался там своей очереди, затем анализировался на специальном оборудовании, и лишь после этого возвращался (в виде распечатки результатов) к врачу. Помимо этого нам приходилось еще и здорово раскошелиться, так как в стоимость анализа “включены” оплата труда врача и лаборантов, стоимость транспортировки пробирок, стоимость эксплуатации дорогостоящего оборудования, аренда помещений лаборатории и т.д. А ведь по-рой скорость, точность и доступность анализа – вопрос жизни и смерти в прямом смысле слова.

      И как было бы здорово, если бы врачи или даже сами пациенты могли мгновенно проводить сложнейшие анализы и получать результаты в течение нескольких минут! Представьте себе,

какой потрясающе компактной и эффективной могла бы быть лаборатория, если б все ее пространство (включая инструменты, столы, проходы, клавиатуры, мониторы, и т. д.) можно бы-ло бы “сжать” до размеров обыкновенного микрочипа, а все производимые в ней человеческие действия по доставке, перемещению и анализу образца полностью автоматизировать!

      А теперь представьте, что такие лаборатории уже существуют! Называются они лабораториями на чипе (от англ. lab*on*chip). Один чип размером порядка 4х4 см может заменить целый комплекс оборудования, необходимого для анализа ДНК/РНК, установления родства, определения генетически модифицированных организмов, ранней диагностики онколо-гических заболеваний, изучения эффективности трансфекции клеток, количественного определения белков, определения уровня экспрессии генов и многого другого!

      При этом такая кроха_лаборатория умеет анализировать одновременно до 12 разных образцов, а время анализа, занимавшего раньше недели, сокращается до 15_30 минут. Если вы

все еще не верите в то, что это возможно, вспомните первые ЭВМ: они занимали огромные комнаты, а их обслуживанием занимался целый коллектив специально обученных инжене-ров_операторов. А сегодня любой карманный компьютер, несмотря на свои малые размеры, в тысячи раз превосходит по быстродействию и функциональности самой “продвинутый”

компьютер того поколения. Аналогия с компьютером здесь не случайна, поскольку на первый взгляд лаборатории на чипе очень похожи на своих электронных собратьев: они также созда-ются на кремниевых подложках, а крохотные ячейки связываются микро_ или нано ”дорожками”. Отличие заключается в том, что по дорожкам у них не всегда течет ток. По многим из них течет жидкость из крохотных резервуаров, имплантированных в чип при производстве.

      Функционально ячейки тоже отличаются. Если на микросхеме это могут быть ячейки памяти или логические элементы, то в лаборатории на чипе это клапаны, резервуары и биологические или химические реакторы.Реальным примером подобной технологии могут служить продукты ведущих в этой области компаний Affymetrix (“GeneChip”) или Agilent (“LabChip”), производящих лаборатории на чипе для генетических анализов. В таких чипах ДНК анализируется методом полимеразной цепной реакции (ПЦР). Его суть заключается в последовательном нагревании и охлаждении раствора, содержащего образец анализируемой ДНК, два праймера (участки ДНК в 20 нуклеотидов, комплементарные участкам анализируемого ДНК),смесь четырех нуклеотидов и фермент ДНК_полимераза. При нагревании двунитевые отрезки ДНК расщепляются; при ох-лаждении под действием фермента каждая из однонитевых цепочек достраивается до двунитевой копии исходного отрезка.

      Число отрезков молекулы ДНК удваивается при каждом цикле, и из каждой молекулы в исходной пробе через 30 циклов образуется 230 – более миллиарда копий. Метод был изобре-тен в 1987 г, и в то время ученым приходилось каждые несколько минут вручную переставлять пробирки из одной водяной бани в другую и после каждого цикла добавлять в них новую порцию фермента. Сегодня ту же работу выполняют миниатюрные автоматизированные лаборатории.

Как видим, менее чем за 20 лет метод ПЦР усовершенствовался примерно так же, как компьютеры – за полвека.

      Компания CombiMatrix предложила чип размерами с почтовую марку для определения биологической опасности. Устройство, содержащее такой чип, может определить присутствие

нескольких видов микроорганизмов, применяющихся в составе бактериологического оружия. На его базе CombiMatrix выпустила детектор HANAA (подходящее название, не правда ли?), кото-рый можно использовать в полевых условиях. Прибор помещается в ладони, питается от батареек и весит около одного килограмма. Каждая микроскопическая ячейка чипа заменяет установку для проведения ПЦР. Прибор анализирует ДНК и соотносит с одним из запрограм-мированных типов патогенной ДНК. Ячейки, в которых присутствует ДНК одного из опреде-ляемых чипом патогенных микроорганизмов, флюоресцируют, а их свечение улавливается датчиком. Процесс обработки четырех различных образцов занимает 30 минут. Как говорят разработчики прибора, он может опознать патоген при концентрации 10 бактерий в 1 пробе (1 проба представляет собой капсулу диаметром 5 мм и 2 см длиной). CombiMatrix также выпус-тила устройство на основе чипа, в котором проводится иммуноферментный анализ. В его ячейках светятся антитела к ядам, не содержащим ДНК. Такое устройство может опознавать 5 токсинов типа рицина.

      Для производства лабораторий на чипе используются почти те же технологии, что и для производства микросхем, включая литографию и травление. Однако лаборатория на чипе, в

отличие от планарной микросхемы, должна быть трехмерной. Причина заключается в том, что если электричество может протекать по плоскому проводу, то жидкость не течет по сплюс-нутому шлангу. Таким образом, при производстве лабораторий на чипе используются совмещенные методы планарной и МЕМS/NEMS_технологий.

Рис 196. Участок лаборатории на чипе в

разрезе

 

      Итак, лаборатория на чипе представляет собой МЭМС_устройство для биохимических ана-лизов. Принимая во внимание стремительный прогресс в области МЭМС_систем, можно прогно-зировать, что в дальнейшем размеры и стоимость устройств будут уменьшаться (а функцио-нальность, соответственно, расти), и через несколько лет такая лаборатория станет для нас та-ким же привычным средством диагностики самочувствия, как сегодня термометр.

 

 

 

 

 

 

 

 

Caeac?eeo web aecaeia e i?ia?aiie?iaaiey - eaoaeia naeoia, iaci? aecaei nooaee