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.
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|