Små mikrodråbe kemiske reaktorer er med til at revolutionere videnskabelige eksperimenter

Videnskaben bliver mindre. Fra todimensionelle nye materialer til nano-robotter, mange af de seneste fremskridt bliver gjort i skalaer, som er umulige at se med det menneskelige øje.

Den seneste teknik til at ryste tingene op på mikroniveau er en måde at fange og studere individuelle levende celler for at forsøge at forstå, hvorfor de ikke fungerer, når de er syge. Indtil nu, videnskabsmænd har gjort dette med elektrode "mikrofælder" og meget komplekse netværk af kanaler skåret ind i plastikchips.

Men nu er der en måde at analysere op til millioner af celler på samtidigt ved at putte dem i små vand-i-olie-dråber, der ikke er meget større end selve cellerne. Dette kunne i høj grad fremskynde indsatsen for at identificere syge celler, finde nye lægemiddelmolekyler eller nye måder at diagnosticere sygdom på.

De dage, hvor videnskabsmænd udførte eksperimenter ved at blande kemikalier i store glaskolber, er for længst forbi. I dag, Tests udføres i bakker med et antal "mikrobrønde"-huller, hvilket betyder, at der kun er brug for et par mikroliter (milliontedele af en liter) af hver prøve. Vanskeligheden ved at gå meget mindre er, at det er svært at flytte væske rundt på denne skala, fordi virkelig små dråber har tendens til at klumpe sig sammen eller fordampe.

Selvom potentialet ved at indkapsle enkeltceller blev identificeret så tidligt som i 1950'erne, dråbefeltet har virkelig taget fart med fremkomsten af ​​fremstillingsteknologier lånt fra halvlederindustrien.

Mikrodråbeopløsningen skal adskille og beskytte hver picoliter (en trilliontedel af en liter) dråbe vand ved at pakke den ind i olie. At gøre dette, du fodrer vandet og olien gennem bittesmå rør i en "mikrofluidisk" enhed og tvinger dem til at mødes ved et kryds, hvor de kombineres til individuelle mikrodråber. Dette kan skabe mange tusinde identiske små kemiske reaktorer i sekundet.

Andre mikrofluidiske enheder kan bruges til at kombinere, opdele eller sortere dråberne, ligesom en videnskabsmand kan gøre i større skala med en pipette Specielt formulerede kemikalier i grænsefladen mellem vandet og olien holder dråberne stabile i dagevis.

At finde en cellulær nål i en høstak

Dråber er et attraktivt forslag til at tackle problemer med nål-i-høstak, såsom at isolere meget sjældne celler med en unik mutation eller molekylær sammensætning. For eksempel, celler fra en tumor kan nogle gange bryde af og cirkulere gennem blodbanen, potentielt forårsage kræft andre steder i kroppen (metastaser). At finde en måde at detektere disse cirkulerende tumorceller (CTC'er) ville i det væsentlige give en blodprøveopdatering om tilstanden af ​​en patients cancer. Men de er meget svære at finde, fordi de findes i koncentrationer så lave som én pr. 10 ml blod. Ved at bruge en mikrodråbeteknik kan læger hurtigt rede gennem cellerne fra en patients blodprøve for at finde en CTC.

Mikrodråbeteknikker kan endda hjælpe med at begrænse DNA-molekyler sammen med de proteiner, der produceres af specifikke gener, såsom biokatalysatorer eller enzymer, der hjælper med at muliggøre visse kemiske reaktioner i en levende organisme. Det betyder, at vi kan finde sjældne DNA-mutationer, der resulterer i mere effektive biokatalysatorer, en proces kaldet rettet evolution. Dette er nyttigt, fordi mange biokatalysatorer er ansvarlige for reaktioner, der er nødvendige for industrielle processer, fra vask med vaskepulver til fremstilling af biobrændstoffer.

I dag, processen med at screene genbiblioteker med millioner af kodede medlemmer bliver mere og mere rutine. En anden lovende anvendelse er at bruge miljøprøver i søgningen efter molekyler, der kan bruges som antibiotika eller anti-cancermidler. Ligeledes, forskere kan vurdere samlinger af antistoffer med håbet om at finde et, der kan fungere som et lægemiddel.

Mikrodråbeteknikker har deres begrænsninger. For eksempel, små molekyler kan nogle gange diffundere gennem oliefasen, hvilket gør dråber i virkeligheden utætte rum. Alligevel er der stadig mange potentielle fremskridt, der skal gøres. For eksempel, man kan forestille sig virkelig personlig medicin, hvor mange forskellige lægemidler hurtigt testes mod mange forskellige patientceller for at finde ud af, hvilken der er bedst at ordinere. Mikrodråber har kun været brugt i et årti. Tænk på, hvad de kan opnå i fremtiden.

Denne artikel blev oprindeligt publiceret på The Conversation. Læs den originale artikel.