Nanobiotek stiller diagnosen

Yi Cui, en kandidatstuderende ved kemikeren Charles Liebers laboratorium på Harvard University, stirrer på en elektrisk måler og venter på bevis på en bemærkelsesværdig bedrift inden for enkel, ultrafølsom diagnostik. Hans mål er prostatakræft. Hans nye værktøj er en mikrochip, der bærer 10 siliciumtråde, hver kun 10 nanometer (milliarddele af en meter) bred. Disse nanotråde er blevet oversvømmet med biologiske molekyler med en affinitet til PSA, et protein, der er alt for velkendt for mænd i en vis alder som det afslørende tegn på prostatacancer. Hvis eksperimentet fungerer efter planen, når PSA-molekylerne binder sig til nanotrådene, vil der være et detekterbart elektrisk signal.

Cui vasker en opløsning indeholdende prostatacancerproteiner over chippen. Umiddelbart registrerer måleren subtile ændringer, hvilket ikke blot indikerer, at enheden har detekteret proteinet, men at den detekterede måske så få som tre eller fire molekyler, øjeblikkeligt og med minimal prøveforberedelse - en hidtil uhørt bedrift. Konsekvenserne for diagnostik er enorme. En vellykket prostatacancertest skal skelne mellem normale og forhøjede proteinniveauer. Ultrafølsomme sensorer som Liebers kunne mærke den mindste stigning; desuden kunne de gøre det i billige engangstests, som patienterne kunne bruge derhjemme mellem lægebesøgene. Hvis jeg var i risiko for en bestemt kræftsygdom, ville jeg ikke tage en chance og vente på, at nogle kræftceller voksede vildt ude af kontrol over et år, fordi den tidligere test gik glip af det, siger Lieber.

Denne historie var en del af vores maj 2002-udgave

• Se resten af ​​problemet
• Abonner

Selvom denne nanowire-enhed kun er en eksperimentel prototype, er den på forkant med en voksende indsats på laboratorier rundt om i verden for at kombinere nanoelektronik og biologi i et nyt felt kaldet nanobioteknologi. Denne hybride disciplin producerer en række værktøjer - fra rækker af bittesmå sensorer, der kan detektere specifikke biologiske molekyler til mikroskopiske systemer skåret ud af silicium, der kan læse individuelle DNA-strenge, der er i stand til at give et nyt vindue til biologiske molekyler.

Implikationerne for medicin og bioteknologi er utallige. Udover at opsnuse de nøgeste lugt af sygdom - eller måske opdage en enkelt spore af miltbrand - kunne disse enheder give langt hurtigere og lettere diagnosticering af komplekse sygdomme. For eksempel kunne de give tidlige advarsler om hjerteanfald, hvis visitkort er subtile ændringer i blandingen af ​​snesevis af proteiner. Alternativt kunne en enkelt mikrochip give en omfattende diagnose ud fra en dråbe blod. Og for lægemiddelforskere kunne nanobioteknologiske gadgets betyde nye værktøjer til at opdage og evaluere potentielle lægemidler hurtigere ved at screene millioner af forskellige lægemiddelkandidater på én gang. Nogle af disse mere ambitiøse mål vil sandsynligvis tage år at nå, men nanobioteknologi kan føre til rigtige enheder, der vil begynde at erstatte besværlige laboratoriebaserede procedurer med billige, nøjagtige mikrochips om så lidt som to år.

Disse første produkter - chips rigget til at opdage en specifik sygdom eller klynge af genetiske lidelser - bliver allerede udviklet hos næsten et dusin nanobiotek-startups (se Fornemmelse af succes) . Larry Bock, CEO for Palo Alto, CA-baseret startup Nanosys [ BØRN bestyrelsesmedlem Robert Metcalfe er en Nanosys medstifter og direktør. Ed.], som har licenseret Liebers teknologi, forudsiger, at hans virksomhed vil markedsføre en kommerciel sensor inden for tre år, først til brug som et forskningshjælpemiddel til hurtigt at screene potentielle lægemidler, og senere som en billig, engangstest hjemme for prostatakræft og måske andre kræftformer. Folk taler om alle nanoteknologiens vidundere, men siger så, at det ikke kommer til at ske om 20 år mere, siger Chad Mirkin, kemiker og direktør for Institute for Nanotechnology ved Northwestern University. Men det er helt forkert for ting som diagnostik. Du kommer til at se produkter på markedet i de næste to år.

Kraft i tal

Biologi og elektronik har længe eksisteret i separate universer. Men fordi biologiske molekyler, som DNA og proteiner, er nogenlunde et par nanometer store, og fordi fysikere og kemikere nu lærer at lave elektroniske enheder i præcis den størrelsesskala, kolliderer disse universer. Resultatet er en ny klasse af enheder, der kombinerer biologiske molekylers evne til selektivt at binde med andre molekyler med nanoelektronikkens evne til øjeblikkeligt at detektere de små elektriske ændringer forårsaget af en sådan binding. Det, der virkelig er interessant ved denne teknologi, er, at den tillader en at tage de uorganiske komponenter, der normalt ville være placeret inde i en elektrisk chip, og kombinere dem med biologiske molekyler, siger Paul Alivisatos, videnskabelig medstifter af Nanosys og kemiker ved University of California, Berkeley .

Faktisk nanoelektroniske enheder som den, der er bygget i Liebers laboratorium (se Følsom ledning ) kunne gøre op med det komplicerede apparat, der nu er nødvendigt til ultrafølsom detektion. Hvis du ville lave enkelt-molekyle-detektion i et laboratorium i dag, ville du have brug for en laser på længden af ​​et skrivebord og en masse sofistikeret optik, kemiske mærker til at forstærke signalet nok til at kunne se det, siger Bock.

At skrue ned så ultrafølsomme enheder nok til, at de kunne sættes på chips, kunne have adskillige anvendelser inden for diagnostik. Stanford University kemiker Hongjie Dai, for eksempel, har bygget en enhed, der kan detektere glucose med et enkelt kulstof nanorør, et stort kulstofmolekyle med fremragende elektriske egenskaber (se Nanorør-computeren , BØRN marts 2002) . Glucosemolekylerne reagerer med molekyler på overfladen af ​​nanorøret og skaber elektriske signaler, der svarer til glucosekoncentrationer, siger han. Selvom det kun er et proof of concept i dag, kunne en sådan enhed udvikles til en implanterbar glukosesensor til diabetikere. I december lancerede Dai Molecular Nanosystems i Palo Alto, Californien, for at kommercialisere nanorør-baserede enheder inklusive biosensorer.

Til mange applikationer er det dog virkelig nødvendigt, ikke en ensom nanodetektor, men en tæt række af dem. På den måde kan du hurtigt lede efter tusinder, endda millioner, af forskellige biologiske molekyler i en enkelt dråbe blod eller anden kropsvæske, hvilket tillader diagnosticering af sygdomme, der har komplekse molekylære signaturer. En sådan sygdom er reumatoid arthritis - en autoimmun sygdom med mange varianter, hver præget af subtile forskelle i grupper af proteiner. Ideelt set ville hver variant blive bekæmpet med en lidt forskellig behandling; i praksis behandles syge i dag generelt på samme måde. Men, siger Dai, en nano-array kunne tjene som en meget præcis og diskriminerende diagnostisk enhed, der giver en køreplan for tilpasset behandling.

Disse arrays af nano-detektorer lover fordele i forhold til eksisterende teknologier, såsom DNA-chips, og dem under udvikling, såsom proteinchips. Alle sådanne chips kræver fluorescerende mærkning af molekyler og optiske mikroskoper for at detektere gløden, der afgives, når binding forekommer (se DNA-chips målrettet mod kræft, BØRN juli / august 2001) . Desuden skal omkring tusind molekyler binde sig til hvert sanseelement for at skabe gløden. Med nanoelektronik er der ikke behov for noget omfangsrigt, dyrt udstyr, og øjeblikkelig detektering af blot nogle få molekyler er mulig.

Følsom ledning

For at påvise et sygdomsrelateret protein i en blodprøve er en siliciumtråd kun 10 nanometer bred belagt med biomolekyler, der kun binder til det protein (nedenfor). Når sygdomsproteinet binder sig til et molekyle på ledningen (indsat), ændres ledningens ledningsevne, hvilket giver et øjeblikkeligt elektrisk signal.

Sticky DNA

Men sensorer med funktioner i nanoskala kan kun lykkes, hvis de er klæbrige nok til at gribe fat i molekyler af interesse. Northwesterns Mirkin ser værdi i guld: specifikt guldpartikler i nanoskala, som han påsætter flere fragmenter af DNA, der kan låse fast på DNA-mål. Hver guldpartikel bliver som velcro, siger han. I løbet af de næste 18 måneder, siger Mirkin, vil han og hans kolleger bygge en enkel diagnostisk enhed til lægekontoret, der er i stand til øjeblikkeligt at diagnosticere sygdomme eller dispositioner for sygdom, afhængigt af hvilke DNA-fragmenter der bruges på enheden. Chips vil blive bygget til paneler af sygdomme, siger Mirkin, herunder seksuelt overførte sygdomme, cystisk fibrose og genetiske dispositioner for tyktarmskræft og blodhyperkoagulation (blod, der størkner for meget).

Mirkins prototype-chip, der er under udvikling af Northbrook, IL-baserede Nanosphere, et firma han var med til at stifte, bruger DNA aflejret mellem elektroder på en mikrochip til at genkende mål af interesse. En prøve blandes med disse velcro-guldpartikler og vaskes over chippen. Hvis prøven indeholder det målrettede DNA - for eksempel genetisk materiale fra syfilisbakterien - vil DNA'et binde til de klæbrige guldpartikler og derefter til DNA-fragmenterne mellem elektroderne. Guldpartiklerne lukker kredsløbet og producerer et detekterbart signal. Jo flere elektrodefølende elementer pr. chip, jo flere sygdomme - eller genetiske dispositioner - kan detekteres.

Mirkins gruppe tilpasser en proces kendt som dip-pen nanolitografi for at opnå evnen til bogstaveligt talt at udskrive DNA-molekyler mellem elektroder kun 200 nanometer fra hinanden. Mirkin håber at kunne pakke hundredvis, ja tusindvis, af elektrodefølende elementer på én chip.

Udskrivning af molekyler I dip-pen nanolitografi printes molekyler direkte på en chipoverflade.

Arrays af cantilevers (over) afsætter millioner, endda milliarder, af forskellige molekyler på en overflade; i tilfælde, hvor de trykte molekyler binder sig til specifikke gener eller proteiner, kan chippen bruges til at diagnosticere sygdomme eller opdage lægemidler. Hver cantilever, eller pen, har en siliciumspids (venstre) kun et par atomer bred i sin ende. Når spidsen bevæger sig sideværts, trækkes molekyler fastgjort til dens sider ned til overfladen af ​​en vandmenisk, der dannes under spidsen. Den lodrette bevægelse af hver cantilever styres termisk, hvilket gør det muligt for individuelle penne at starte og stoppe udskrivning.

Mirkins teknologi kan finde specifikt målrettet DNA i en prøve. Men hvis du rent faktisk kunne få fat i et enkelt stykke DNA og direkte læse dets gener, kunne du i teorien identificere et hvilket som helst gen eller endda komplekse genmønstre. Ved hjælp af værktøjer tilpasset fra halvlederfremstilling byggede fysiker Harold Craighead fra Cornell's Center for Nanobiotechnology og hans tidligere postdoc Stephen Turner en siliciumchip indeholdende bittesmå kanaler, hver 50 nanometer i bredden og dybden (se DNA rørledning , nedenfor) . Kanalen er så lille, at en enkelt DNA-streng næsten ikke kan presse sig igennem - og det er bare pointen. Et elektrisk felt får den normalt oprullede kugle af DNA til at støde ind i kanalen, rulles ud og tråde sig ned.

Når først det er grebet, skal DNA'et læses for for eksempel at se, om det indeholder en bestemt sekvens. For at gøre en sekvens læselig tilføjer forskere på forhånd fluorescensmærkede DNA-prober til prøven; proberne binder til målsekvenserne. Når hvert DNA-molekyle vrikker sig ned ad kanalen, identificerer en optisk detektor de fluorescerende mærker, der passerer forbi. Vi behandler DNA'et, som om det er et optagemedie, siger Turner, som nu er præsident for Nanofluidics, en startup, der forsøger at kommercialisere Cornell-teknologien. Og ligesom en båndafspiller spiller vi DNA. Mens Cornell-forskerne i øjeblikket bruger et eksternt optisk mikroskop til at læse båndet, håber de at bygge en optisk læser direkte på chippen ved hjælp af optiske fibre. Turner forventer at have en fungerende enhed inden for de næste par år.

Fordi værktøjerne til at lave disse bittesmå kanaler er afhængige af det samme standardudstyr, der bruges til at fremstille siliciumchips til mikroelektronik, forestiller Turner sig at lave nanofluidchips med tusinder og endda millioner af kanaler og optiske fibre. Med sådanne enheder, siger Turner, kunne læger en dag tage en dråbe blod fra en patient, tabe den på mikrochippen og hurtigt scanne DNA'et i prøven for genetiske markører for sygdom. Enheden kan også hjælpe læger med at vælge det helt rigtige lægemiddel til patienten.

DNA rørledning

For at identificere en bestemt sekvens på en DNA-streng blander forskerne først DNA'et med fluorescerende prober, der knytter sig til den sekvens. Derefter, på en mikrochip (ovenfor), trækker et elektrisk felt DNA gennem en kanal, der er 50 nanometer bred. En indlejret optisk læser registrerer eventuelle vedhæftede prober og identificerer sekvensen.

DNA kontrol

I ægteskabet mellem nanoelektronik og biologi involverer det mest ekstreme syn at fastgøre elektroniske gadgets direkte til molekyler. For at vise, hvordan dette kan fungere - og hvorfor det kan være nyttigt - påsatte et team på MITs Media Lab, ledet af fysiker Joseph Jacobson og biomedicinsk ingeniør Shuguang Zhang guldpartikler, hver kun 1,4 nanometer i diameter, til et stykke DNA. Hver guldpartikel fungerede som en lille antenne. Forskerne udsatte derefter DNA'et for radiofrekvente magnetfelter, hvilket fik partiklerne til at varme op, og det dobbeltstrengede DNA til at bryde i to strenge. Da de fjernede magnetfeltet, kom trådene straks sammen igen. Nu har vi et meget kraftfuldt og brugbart værktøj, der kan styre tingene på molekylært niveau, siger Zhang. Indtil videre er der ingen værktøjer, der kan gøre dette. At være i stand til at kontrollere et enkelt molekyle i en mængde molekyler er meget værdifuldt.

Den værdi, tilføjer postdoc Kimberly Hamad-Schifferli, skyldes i høj grad den potentielle evne til at tænde og slukke for gener. For at gøre det kunne MIT-forskerne vedhæfte fragmenter af DNA til guldpartikler. Når de blev tilføjet til en prøve af DNA, ville fragmenterne binde til komplementære gensekvenser, blokere aktiviteten af ​​disse gener og effektivt slukke for dem. Anvendelse af et magnetfelt ville derefter opvarme guldpartiklerne, hvilket får deres vedhæftede fragmenter af DNA til at løsne sig, hvilket i realiteten tænder generne igen. Et sådant værktøj kunne give farmaceutiske forskere en måde at simulere virkningerne af potentielle lægemidler, som også tænder og slukker for gener. MIT licenserede for nylig teknologien til en bioteknologisk startup, Waltham, MA-baseret engeneOS.

Selvom fjernstyring af DNA kan lyde mere som et salontrick end noget, din læge måske bruger, viser sådanne eksperimenter, at nanoelektronik kan interagere med biologi på kraftfulde måder. Materialer som nanotråde og nanorør, der er grundigt undersøgt af fysikere og kemikere i de senere år, er nu i hænderne på biomedicinske ingeniører som MIT's Zhang - med enorme implikationer for alt fra lægemiddelopdagelse til diagnosticering af sygdomme som prostatacancer. Selvom det er svært at forudsige vindere blandt disse mange teknologier, siger Berkeleys Alivisatos for det første, at jeg tror, ​​at disse ting alle vil finde konkurrencedygtige nicher.

Hurtig, billig mikroelektronik revolutionerede verden af ​​computer- og informationsteknologi. Hvorvidt nanoelektronik kan revolutionere medicin er fortsat usikkert. Men kløften mellem elektronik og biologi lukkes hurtigt, og biomedicinske forskere og endda læger vil snart have værktøjer til at undersøge livets grundlæggende molekyler på måder, der så ud som fantasi for blot et par år siden.

Fornemmer succes
Nogle virksomheder inden for nanobiotek

Selskab	Teknologi kilde	Strategi
Agilente teknologier (Palo Alto, CA)	Harvard Universitet	Materialer med porer i nanostørrelse til analyse af DNA
engeneOS (Waltham, MA)	MED	Guld nanopartikler til fjernstyring af biologiske molekyler
Molekylære nanosystemer (Palo Alto, CA)	Stanford University	Carbon nanorør til sansning af biologiske molekyler
Nanofluidik (Ithaca, NY)	Cornell University	Chips med kanaler i nanoskala til analyse af DNA
NanoInk (Chicago, IL)	Northwestern University	Dip-pen nanolitografi til design af biologiske molekyler og strukturer
Nanosfære (Northbrook, IL)	Northwestern University	Elektrode/guld nanopartikeldetektorer til sansning af DNA og patogener
Nanosys (Palo Alto, CA)	Harvard Universitet	Nanotråde til sansning af biologiske molekyler
SurroMed (Mountain View, CA)	Pennsylvania State University	Nanostregkoder til mærkning af biologiske molekyler
U.S. Genomics (Woburn, MA)	U.S. Genomics	Nanokrystallinsk gitter til analyse af DNA

skjule