Blåt lys, rødt lys

Det er en indbildskhed af Frankenstein-monstertypen, men biologen Todd H. Rider '91, SM '91, SM '94, ph.d. '95, har aldrig viget tanken om, at han kunne være en gal videnskabsmand. Faktisk omfavner han det. Hans forbilleder har været filmenes vildhårede videnskabsmænd, dem med frafaldne forhåbninger og en modvilje mod at stå på metodisk ceremoni. Han låner endda deres linjer. Før et eksperiment, der krævede, at han skulle dreje en kontakt, råbte han: Giv min skabelse liv!

Jeg tror, ​​jeg forskrækkede mange mennesker, siger han nu.

Den 35-årige indfødte i Arkansas har specialiseret sig i at jage noget, som mange mennesker finder mere skræmmende end Frankensteins monster: dødelige bakterier og vira.

Rider og hans team fra Lincoln Laboratory modtog national opmærksomhed i juli for deres arbejde på et nyt system til påvisning af potentielt dødelige patogener, såsom miltbrand eller legionærsygdom, der længe har været frygtet i sig selv, men som er blevet endnu mere skræmmende for deres evt. brug i biologiske våben. Kendt som cellulær analyse og meddelelse om antigenrisici og -udbytter, eller Canary for kort, bruger den udviklede detektor, Rider, hvide blodlegemer - kroppens første forsvarslinje mod sygdom - for at teste stoffer for tilstedeværelsen af ​​visse patogener.

I modsætning til nuværende detektionssystemer, der bruger DNA-forstærkende reaktioner, der kan tage en time eller mere, giver Riders teknik information på få sekunder. Med offentligheden råbt over truslen om biologisk krigsførelse og bioterrorisme, og byer i karantæne på grund af hurtig-spredning af vira som SARS, kan detektorens potentiale til at levere aflæsninger på stedet føre til en række forskellige første-svar-anvendelser, lige fra læsning slim leveret af en mystisk syg skadestuebesøgende for at teste hvidt pulver kort efter, at det flyver ud af en konvolut. Rider mener også, at detektoren kan tilpasses til at trække partikler fra luften for at afgøre, om biologiske våben er blevet frigivet på kampfeltet.

Justering af en naturlig reaktion

Naturen, siger Rider, viser allerede, at hvide blodlegemer opdager patogener. Når antistofferne på en sådan celle binder til en virus eller bakterie, udløser de et calciumsignal. Det får cellen til at gå på krigsstien og bekæmpe angriberne. Rider mente, at hvis han kunne finde en enkel måde at detektere calciumsignalet på, kunne han udvikle en patogensensor.

Det er smart, siger Dr. David Relman, en professor ved Stanford University, der studerer patogendetektion. Jeg elsker ideen om at opbygge et biologisk system, der allerede er fastgjort til hurtig reaktion.

Men da Rider først begyndte at arbejde på ideen, kort efter at han kom til Lincoln Lab i 1997, var folk ikke så modtagelige. Mange mennesker på Lincoln Lab havde ikke taget det særlig seriøst, siger han. Derudover havde Lincoln Lab intet biologisk laboratorium. Så den unge videnskabsmand - 28 på det tidspunkt, med kun et år i den virkelige verden efter ni år på MIT - blev tvunget til at finde bænkplads på campus, indtil han kunne konstruere et hvidt blodlegeme, der ville afsløre calciumreaktionen.

Rider fandt den plads i laboratoriet hos biologiprofessor Jianzhu Chen. Chen, der forsker i immunologi, hjalp også Rider med at sikre tidlig finansiering fra kappe-og-dolk-skaren, der er gået videre med at bankrolle meget af Canarys udvikling. U.S. Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), en amerikansk militær-tilknyttet kilde til finansiering af videnskabelige projekter, var interesseret i patogendetektion, og Riders team tog ned til Washington for at lave, hvad der i sidste ende var en succesfuld præsentation.

Med tilstrækkelige ressourcer bag sig kunne Rider begynde at undersøge et protein, som han længe havde anset for at love: aequorin, som stammer fra den glødende vandmand Lige meget sejr og har en veldokumenteret evne til at producere lys som reaktion på calcium. Rider brugte elektricitet til at blæse huller i hvide blodlegemer, der var blevet udvundet fra en mus, og infunderede derefter disse celler med vandmændenes genetiske instruktioner til fremstilling af aequorin. Teorien var, at når antistoffer på cellernes overflade låste sig fast på deres patogener, ville de udløse et calciumsignal, som ville aktivere aequorinen og få cellerne til at lyse blåt. Selvom det blå lys ikke var synligt for det blotte øje, kunne det måles med et luminometer, som ville sende resultaterne til en computer, som ville generere en udlæsning.

I midten af ​​1998 havde Rider programmeret cellerne til at udsende lys som reaktion på phosphorylcholin-ovalbumin, en sikker kemisk stand-in for vira og bakterier. Men princippet var det samme, og denne første succes gav konceptet den troværdighed, Rider havde brug for for at fortsætte.

Han og hans team flyttede derefter tilbage til Lincoln Lab og begyndte at shoppe efter patogene antistoffer ved at trække på mængden af ​​sygdomsfremkaldende bakterier og vira, der blev undersøgt i andre laboratorier. Efter mange forsøg og fejl udviklede biolog Martha Petrovick en ny version af et genteknologisk værktøj kendt som en DNA-vektor, der gjorde det muligt for Rider og hans team at producere hvide blodlegemer med antistoffer på deres overflader, der reagerede på specifikke patogener. Disse omfattede miltbrand, byllepest, den patogene stamme af E coli , klamydia, kopper og et halvt dusin andre vira og bakterier frygtede for deres potentielt negative virkninger på folkesundheden eller brug i bioterrorvåben.

Men holdet stod stadig over for et afgørende problem: de hvide blodlegemer og patogener havde problemer med at lokalisere hinanden under testen. Reaktionen tog for lang tid, og signalet fra luminometeret var for lavt. Vi var nødt til at finde på en måde at gøre reaktionen hurtigere og mere tydelig, siger James Harper, PhD '98, Lincoln Lab-medarbejderen, der stod i spidsen for hardware engineering for Canary.

Løsningen var at bruge en centrifuge til at dreje en prøves cellulære materiale mod bunden af ​​dens beholder, tilføje de hvide blodlegemer og dreje dem ned på toppen af ​​prøven, hvilket tvinger de to i tæt kontakt med hinanden. Det, der havde taget minutter, tog nu sekunder.

I mange af disse systemer er begrænsningen massetransport,' siger Duane Lindner '72, vicedirektør for kemi- og biologiprogrammer ved Sandia National Laboratories i Livermore, CA, som er ved at udvikle sine egne patogendetektionssystemer. Det tager meget tid for disse store ting at komme oven på hinanden. Deres arbejde har fremhævet, hvor hurtige systemerne kan være.

Hurtigt og enkelt Måske?

Det er den hastighed, der har både militæret og private virksomheder interesseret i potentialet i den nye detektor. Allerede før terrorangrebene den 11. september 2001 havde militæret været interesseret i noget, der kunne analysere luften for biologiske våben. Offentlige sundhedsmyndigheder var også ivrige efter noget, der hurtigt kunne kontrollere en forsendelse af mad til E. coli. Nylige bekymringer om mystiske, muligvis miltbrand-fyldte hvide pulvere sendt gennem amerikansk post og frygten for hurtig-spredning af vira, som SARS, har gjort nødhjælpspersonale og klinikere lige så interesserede i patogendetektion som militæret.

Teknologien, der bruges på Canary, er allerede tæt på at kunne tilpasses mange af disse anvendelser, siger dens udviklere, som mener, at den nuværende prototype af en centrifuge, luminometer og computer kunne inkluderes i et felttestsæt på størrelse med en kuffert, til en hardwarepris på et sted mellem $7.000 og $10.000.

Vi designer det med vilje, så det bliver meget nemt at bruge, siger Rider. Nogle af de nuværende systemer bruger ret meget træning. Vi ønsker, at det kan bruges til hærsoldater, medicinsk personale, beredskabspersonale. Du vil blot tilføje prøven til cellen og se, om den lyser.

Rider er også ved at udvikle, hvad han legende betegner som en kæmpe snorfler-ting til at suge partikler fra luften på følsomme steder og teste dem. Detektorceller, der bruges i enheden, kan nu overleve i op til to uger, før de skal udskiftes. Selvom Rider kalder cellerne overraskende hårdføre, siger andre, at de ikke er robuste nok, især til et større civilforsvarsmål, et system, der autonomt vil indsamle prøver fra luften og teste dem for patogener.

Atter andre mener, at hans proces er overmatchet af konkurrenterne. DNA-baserede detektionsteknologier, selvom de ikke er så hurtige som Canary, vil i sidste ende være i stand til at teste for en bred vifte af patogener samtidigt og endda afsløre de genetiske egenskaber ved de organismer, der ikke let kan identificeres. Canary har for meget fokus på specifikke organismer, siger Calvin Chue, en forsker ved Center for Civilian Biodefense Strategies ved Johns Hopkins. Hvis jeg gav dig et ukendt patogen, ville du skulle køre alle dine specifikke hurtige tests. Da dette kunne omfatte et dusin eller flere kørsler, er analysen ikke længere så hurtig. Selv ved afslutningen af ​​dit løb kan du stadig have en ukendt på dine hænder, og du kan ikke antage, at den er godartet.

Rider håber dog, at Canary i fremtiden vil være i stand til at lave enhver form for analyse, som konkurrerende DNA-baserede teknologier kan udføre. I mellemtiden mener Harper for det første, at fordelene ved at kunne læse hurtigt er tydelige.

DNA er godt til at lede efter nålen i høstakken, når du ikke ved, hvad nålen er, siger Harper. Men med hensyn til følsomhed og hastighed ser det ikke ud til, at der er noget, der kan matche Canary. Det har potentialet til, ved sengen, at afgøre, om nogen har en bakteriel eller viral infektion, før de overhovedet står op for at tage afsted [til] hospitalet. Den er ikke god til at se på, hvad der sker i tusind forskellige gener, men den er god til at give dig det hurtigste og mest følsomme svar.

Selv om meget af DARPAs tidlige motivation for at finansiere projektet kom fra dets interesse i at bruge forskellige cellers reaktive egenskaber til at bestemme karakteristika for ukendte patogener, snarere end at teste prøver for dem, der allerede er kendte, er agenturet fortsat tilfredse med teknologien . DARPA er et af de steder, hvor du ikke er begrænset af ét tema, siger Alan Rudolph, videnskabsmanden, der fører tilsyn med projektet for agenturet.

Det er en god ting for Rider, som har haft svært ved at forblive begrænset til et enkelt tema i akademiske eller forskningsmæssige omgivelser. Hans doktorgradsarbejde involverede faktisk fusionsreaktorer, men han migrerede gennem flere mindreårige - inklusive biomedicin - mens han færdiggjorde det. Han henvendte sig til mikrobiologi, efter at hans afhandling viste problemer med forskellige fusionsreaktorer, hvilket gjorde ham, indrømmer han, en smule upopulær i reaktorbranchen.

Jeg gjorde nogle mennesker ked af det, så jeg besluttede at flytte ind i et andet felt, siger Rider. Jeg var heldig at have en uddannelse i biomedicin.

Dr. Frankenstein er måske enig.

skjule