Разработки в области микропотоковых технологий

Разработки в области микропотоковых технологий

Выпуск 18(6692) от 12 сентября 2019 г.
РУБРИКА: БИОТЕХНОЛОГИИ И БИОИНЖЕНЕРИЯ

Исследователи Калифорнийского университета в Санта-Крузе (США) сообщили об опытах по доставке отдельных биомолекул, включая рибосомы, ДНК и белки, в микропотоковые каналы на кристалле аналитической ИС. Они также показали, что подобные устройства могут быть использованы для сортировки различных типов молекул, что позволит проводить выборочный анализ конкретных молекул в различных смесях. Примерно в то же самое время ученые Мельбурнского Королевского технологического университета (Австралия) представили перспективную «лабораторию-на-кристалле», предназначенную для изучения проблем свертываемости крови.

Специалисты Калифорнийского университета в Санта-Крузе разработали платформу на основе кристаллов ИС, объединяющую нанопоры, оптожидкостную технологию и схемы управления с обратной связью. Она обеспечивает беспрецедентный уровень контроля отдельных молекул на кристалле с целью проведения высокопроизводительного анализа.

В статье, опубликованной 16 августа 2019 г. в журнале Nature Communications, исследователи сообщили об использовании своей разработки для управления доставкой отдельных биомолекул, включая рибосомы, ДНК и белки, в заполненные жидкостью каналы кристалла. Утверждается, что новую платформу можно использовать для сортировки разных типов молекул, что позволяет проводить избирательный анализ молекул-мишеней из различных смесей.

Создание этого экспериментального программируемого оптожидкостного прибора с нанопорами открывает путь к разработке перспективных исследовательских инструментальных средств на кристалле ИС, способных осуществлять высокопроизводительный одномолекулярный анализ. Появилась возможность введения одиночной молекулы в наноканал с жидкостью, в котором она может быть проанализирована при помощи интегрально-оптических волноводов или других методов. Идея состоит в том, чтобы ввести частицу или молекулу в канал, провести ее по нему, а затем, выведя ее из канала, легко и быстро повторить процесс с другой молекулой и т. д. Таким образом можно получить надежную статистику на основе большого числа экспериментов с одиночными молекулами.

При создании новой платформы были использованы результаты предыдущих исследований ученых как Калифорнийского университета в Санта-Крузе, так и Университета Бригама Янга (г. Прово, шт. Юта, США). Работы были нацелены на создание технологии оптожидкостных кристаллов ИС, сочетающих микрофлюидику (крошечные каналы для обработки на кристалле жидких образцов) с интегральной оптикой (рис. 1). Такое сочетание позволяет осуществлять оптический анализ одиночных молекул. Добавление в конструкцию нанопор дает возможность осуществлять контролируемую доставку молекул в канал, а также анализировать электрический сигнал, возникающий при прохождении молекулы сквозь пору.



Источник: Калифорнийский университет в Санта-Крузе

Рисунок 1. Схематическое изображение работы оптожидкостных приборов


Технология нанопор успешно применяется при секвенировании ДНК, и многие исследователи изучают новые способы использования информации, содержащейся в сигналах, которые возникают по мере прохождения молекул или частиц сквозь нанопору.

Благодаря тому, что новая платформа оснащена системой управления с обратной связью (микроконтроллер и твердотельное реле), анализ тока в реальном масштабе времени превращает нанопору в «интеллектуальный затвор», программируемый пользователем. За счет такого программирования доставка молекул в канал осуществляется по заранее определенным параметрам. Затвор может быть закрыт, как только через него пройдет одиночная молекула (или любое их число, установленное пользователем) и снова открыт через какое-то время.

Исследователи подчеркивают, что использование нанопор в качестве «интеллектуальных затворов» – ​ключевой шаг на пути к созданию удобной для пользователя одномолекулярной аналитической системы с высокой пропускной способностью. Появляется возможность контролировать количество попадающих в струйный канал молекул для последующего анализа и обработки. Кроме того, обеспечивается высокоскоростное (по нескольку сотен в минуту) избирательное пропускание на кристалл ИС одиночных молекул различных типов.

Так, используя бактериальные рибосомы 70S, исследователи продемонстрировали контролируемое введение на кристалл более 500 рибосом в минуту. Кроме того, были проведены новаторские исследования структуры и функций рибосом – ​этих «молекулярных машин», синтезирующих белки во всех живых клетках.

Для того чтобы показать способность нового прибора избирательно активировать функцию пропускания молекулы-мишени (в данном случае ДНК), исследователи также использовали смесь ДНК и рибосом. Таким образом становится возможным проведение экспериментов по флуоресценции на контролируемом числе молекул-мишеней (все прочие частицы игнорируются и отсеиваются). Избирательное пропускание можно также использовать для очистки или сортировки частиц в исходящем из нанопор потоке – ​на основе сигналов, полученных при их прохождении через нанопоры. Таким образом, программируемая система обладает большой гибкостью, что делает возможным ее использование в широком круге применений.

Работа финансировалась за счет Национальных институтов здравоохранения и НАСА [1, 2].

Схожую работу по микропотоковым приборам недавно продемонстрировал исследователи Мельбурнского Королевского технологического университета (Royal Melbourne Institute of Technology, RMIT University). Была представлена так называемая «лаборатория-на-кристалле» (lab-on-a-chip) размером с почтовую марку (рис. 2), которая может стать очередным крупным шагом в поисках антикоагулянтных препаратов для предотвращения сердечных приступов и инсультов. Эффективность современных антикоагулянтных препаратов ограниченна из-за риска осложнений. Это, в свою очередь, обуславливает необходимость поиска альтернативных решений, которые позволят как предотвратить образование тромбов, так и снизить риск возникновения чрезмерного, опасного для жизни кровотечения.



Источник: RMIT University

Рисунок 2. Микропотоковая схема с тонкими каналами и насосами для обеспечения быстрых манипуляций с жидкостями


Новая биосовместимая «лаборатория-на-кристалле», подробно описанная в одном из последних номеров журнала Analytical Chemistry, может помочь ускорить открытие и разработку новых антикоагулянтных препаратов. По сути, на небольшой кристалл масштабированы возможности полноразмерной лаборатории. Более того, на кристалле все процессы автоматизированы, за счет чего за несколько минут можно добиться результатов, для достижения которых в стандартной лаборатории требуется несколько дней. Прибор создан специально для работы в сложной области биологии крови. В него интегрированы уникальная система насосов и инструментальные средства анализа, осуществляющие проверку воздействия различных химических соединений на образование сгустков крови.

На сегодня очень немногие разработанные микроприборы пригодны для исследовательских или клинических целей – ​при их проектировании не всегда учитывалось, как на самом деле ведет себя кровь. Дело в том, что кровь чрезвычайно чувствительна к искусственным поверхностям, поэтому образование сгустков происходит достаточно легко. Соответственно, технологии обработки крови должны быть не менее чувствительны. Австралийским исследователям удалось объединить глубокое понимание биологии крови с точным проектированием и технологией микрообработки. Благодаря этому они смогли создать прибор, способный работать с цельной кровью и давать надежные результаты. Разработчики утверждают, что это важный шаг на пути к созданию быстродействующих и эффективных микросистем для доклинического и клинического гематологического скринингаи диагностики. Новая микролаборатория способна всего за несколько часов протестировать сотни лекарственных соединений, выявляя их воздействие на кровь, и быстро идентифицировать те, что имеют наибольший потенциал клинического использования.

Прибор основан на технологии микропотокового кристалла, содержащего матрицу миниатюрных каналов, клапанов, процессоров и насосов, способных точно и гибко манипулировать потоками жидкостей. Подобные кристаллы сочетают в себе быстродействие, портативность и пропускную способность, а также способны управлять работой большого числа крайне малых обрабатывающих элементов. Важно отметить, что они также масштабируемы и дешевы в производстве.

Исследователи объединили микропотоковую технологию с чувствительным анализом для выявления реакции тромбоцитов (компонентов крови, отвечающих за ее свертываемость) на различные химические соединения и их сочетания. На этапе проверки концепции микролаборатория использовалась для исследования того, как дозированное введение в кровь малых молекул отобранных ингибиторов влияет на динамику тромбоцитов, т. е. на их слипание. Достигнутые результаты показали, что автоматизированная «лаборатория-на-кристалле» может точно контролировать кровоток, дозированно вводить лекарственные соединения и отправлять кровь в систему анализа тромбов.

Исследователи указывают, что существующие технологии исследования химических соединений в крови слишком трудоемки, что ограничивает число используемых скринингов. Поэтому малые, специализированные и точные инструментальные средства – ​это будущее технологий разработки лекарств.

Мельбурнский Королевский технологический университет проводил данные работы совместно с Австралийским центром заболеваний крови (Australian Centre for Blood Diseases, ACBD, Мельбурн) [3].


Stephens Tim. Optofluidic Chip with Nanopore ‘Smart Gate’ Developed for Single Molecule Analysis. UC Santa Cruz, August 16, 2019: https://news.ucsc.edu/2019/08/nanopore-optofluidics.html

Davis Shannon. Optofluidic Chip with Nanopore ‘Smart Gate’ Developed For Single Molecule Analysis. Semiconductor Digest, August 16, 2019: https://www.semiconductor-digest.com/2019/08/16/optofluidic-chip-with-nanopore-smart-gate-developed-for-single-molecule-analysis/

Davis Shannon. Lab-On-A-Chip Drives Search for New Drugs to Prevent Blood Clots. Semiconductor Digest, August 20, 2019: https://www.semiconductor-digest.com/2019/08/20/lab-on-a-chip-drives-search-for-new-drugs-to-prevent-blood-clots/


ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ