Små værktøjer:Styring af individuelle vanddråber som biokemiske reaktorer

Miniaturisering omformer hurtigt biokemifeltet, med nye teknologier som mikrofluidik og "lab-on-a-chip" -enheder, der tager verden med storm. Kemiske reaktioner, der normalt blev udført i kolber og rør, kan nu udføres i små vanddråber, der ikke er større end et par milliontedele liter. Især, i sandwich-teknikker til dråbe-array, sådanne små dråber lægges ordenligt på to parallelle flade overflader modsat hinanden. Ved at bringe den øverste overflade tæt nok på den nederste, hver øverste dråbe får kontakt med den modsatte bunddråbe, udveksling af kemikalier og overførsel af partikler eller endda celler. På en ordret måde, disse dråber kan fungere som små reaktionskamre eller cellekulturer, og de kan også opfylde rollen som værktøjer til håndtering af væsker, såsom pipetter, men i meget mindre skala.

Problemet med dråbe-array sandwich er, at der ikke er nogen individuel kontrol af dråber; når den øverste overflade er sænket, hver dråbe på bundoverfladen nødvendigvis får kontakt med en på den øverste overflade. Med andre ord, denne teknologi er begrænset til batchoperationer, hvilket begrænser dets alsidighed og gør det dyrere. Kan der være en enkel måde at vælge, hvilke dråber der skal komme i kontakt, når overfladerne bringes tættere på hinanden?

Tak til professor Satoshi Konishi og hans kolleger ved Ritsumeikan University, Japan, svaret er et rungende ja. I en nylig undersøgelse offentliggjort i Videnskabelige rapporter , dette team af forskere præsenterede en ny teknik, der gør det muligt individuelt at vælge dråber til kontakt i dråbe-array sandwich. Ideen bag deres tilgang er ret ligetil:Hvis vi kunne kontrollere højden af ​​individuelle dråber på bundoverfladen for at få nogle til at stå højere end andre, vi kunne bringe begge overflader tæt sammen, så kun disse dråber kommer i kontakt med deres kolleger, mens de skåner resten. Hvordan dette faktisk blev opnået, imidlertid, var lidt sværere.

Forskerne havde tidligere forsøgt at bruge elektricitet til at kontrollere "fugtbarheden" af det dielektriske materiale i området under hver dråbe. Denne tilgang, kendt som "electrowetting-on-dielectric (EWOD), "lader man lidt ændre kræftbalancen, der holder en vanddråbe sammen, når den hviler på en overflade. Ved at anvende en elektrisk spænding under dråben, det er muligt at få det til at sprede sig lidt ud, øger sit areal og reducerer dets højde. Imidlertid, teamet fandt ud af, at denne proces ikke let var reversibel, da dråber ikke spontant ville genoprette deres oprindelige højde, når spændingen blev slukket.

For at løse dette problem, de udviklede en EWOD-elektrode med et hydrofilt-hydrofobt mønster. Når elektroden tændes, den tidligere beskrevne proces får dråben oven på den til at brede sig ud og blive kortere. Omvendt når elektroden er slukket, den ydre hydrofobe del af elektroden afviser dråben, mens den indre hydrofile del tiltrækker den. Dette gendanner den oprindelige form, og højde, af dråben.

Forskerne fremviste deres metode ved at lægge flere EWOD-elektroder på bundoverfladen af ​​en dråbe-array sandwich-platform. Ved blot at sætte spænding på udvalgte elektroder, de kunne let vælge, hvilke par dråber der kom i kontakt, når den øverste platform blev sænket. I deres demonstration, de overførte rødt farvestof fra de øverste dråber til kun nogle af de nederste dråber. "Vores tilgang kan bruges til elektrisk at oprette individuelle kontakter mellem dråber, giver os mulighed for ubesværet at kontrollere koncentrationen af ​​kemikalier i disse dråber eller endda overføre levende celler fra en til en anden, "forklarer prof. Konishi.

Denne undersøgelse baner vejen for den potentielt frugtbare kombination af dråbehåndteringsteknikker og automatisering. "Vi forestiller os, at lab-on-chip-teknologi ved hjælp af dråber vil erstatte konventionelle manuelle operationer ved hjælp af værktøjer såsom pipetter, derved forbedre effektiviteten af ​​lægemiddelscreening. På tur, dette vil fremskynde processen med opdagelse af lægemidler, "fremhæver professor Konishi. Han tilføjer, at dyrkning af celler i hængende dråber, som er blevet brugt inden for cellebiologi, vil også gøre cellebaseret vurdering af lægemidler og kemikalier billigere og hurtigere, repræsenterer et værdifuldt værktøj til biokemi og cellebiologi.

Lad os håbe, at frugterne af denne teknologi "falder" lige rundt om hjørnet.