Að moka vatni

Nýja örfljótandi flísinn sem framleiddur er af Fluidigm, sprotafyrirtæki með aðsetur í Suður-San Francisco, táknar áratug af uppfinningum í röð. Þessi litli ferningur af svampkenndri fjölliðu – sömu tegund og notuð í augnlinsur og gluggaþéttingu – geymir flókið net af smásæjum rásum, dælum og lokum. Lítið rúmmál af vökva úr, segjum, blóðsýni getur streymt í gegnum völundarhús rása til að aðskiljast með lokunum og dælt inn í næstum 10.000 örsmá hólf. Í hverju hólfi er hægt að greina nanólítra (milljarðustu úr lítra) af vökvanum.



Lab á flís : Örfljótandi flís Fluidigm (grái ferningurinn í miðjunni) notar örsmáar rásir og lokur til að vinna með vökva. Það gerir hraðvirkar og viðkvæmar lífgreiningar

Hæfni til að færa vökva í kringum flís á smásæjum mælikvarða er eitt glæsilegasta afrek lífefnafræðinnar á síðustu 10 árum. Örflæðisflögur, sem nú eru framleiddar af handfylli sprotafyrirtækja og álíka fjölda steypustöðva í háskóla, gera líffræðingum og efnafræðingum kleift að vinna með örlítið magn af vökva á nákvæman og mjög sjálfvirkan hátt. Hugsanleg forrit eru fjölmörg, þar á meðal handtæki til að greina ýmsa sjúkdóma og vélar sem geta greint á hraðan hátt innihald fjölda einstakra frumna (sem hver um sig geymir um einn píkólítra af vökva) til að bera kennsl á, til dæmis, sjaldgæfar og banvænar krabbameinsstökkbreytingar. En örflæðisfræði táknar einnig grundvallarbylting í því hvernig vísindamenn geta haft samskipti við líffræðilega heiminn. Lífið er vatn sem streymir í gegnum rör, segir George Whitesides, efnafræðingur við Harvard háskóla, sem hefur fundið upp mikið af tækninni sem notuð er í örvökva. Ef við höfum áhuga á lífinu verðum við að hafa áhuga á vökva á litlum mælikvarða.





Öryggi í eternum

Þessi saga var hluti af janúarhefti okkar 2010

  • Sjá restina af tölublaðinu
  • Gerast áskrifandi

Til að útskýra mikilvægi tækninnar og flókið smásjártæki hennar, gera þeir sem taka þátt í örflæði oft samanburð við örgjörva og samþættar rafrásir. Reyndar hafa örflæðisflögur og rafrænn örgjörvi svipaðan arkitektúr, þar sem lokar koma í stað smára og rásir í stað víra. En að vinna með vökva í gegnum rásir er mun erfiðara en að beina rafeindum um samþætta hringrás. Vökvar eru, tja, sóðalegir. Það getur verið erfitt að hreyfa þau, þau samanstanda oft af flóknu plokkfiski af hráefnum og þau geta fest sig og lekið.

Á síðasta áratug hafa vísindamenn sigrast á mörgum slíkum áskorunum. En ef örvökvi á einhvern tíma að verða raunverulega sambærileg við örraeindatækni, þá þarf hún að sigrast á mun ógnvekjandi áskorun: umskiptin frá efnilegu rannsóknarstofutæki yfir í mikið notaða viðskiptatækni. Er hægt að breyta því í vörur sem vísindamenn, læknatæknir og læknar vilja nota? Líffræðingar hafa sífellt meiri áhuga á að nota örvökvakerfi, segir Whitesides. En, bætir hann við, ferðu inn í rannsóknarstofuna og finnur þessi tæki alls staðar? Svarið er nei. Það sem er athyglisvert er að það hefur ekki slegið í gegn. Spurningin er, hvers vegna ekki?



gæti vetniseldsneyti komið í stað jarðefnaeldsneytis í framtíðinni

Atriði yfirfarið

  • Biomark 96.96 Dynamic Array

    Fluidigm

  • Eðli tækninnar: Hvað það er og hvernig það þróast

    Eftir W. Brian Arthur
    Frjáls Press, 2009

Svipaða spurningu gæti allt eins verið spurt um að minnsta kosti tvær aðrar mikilvægar tækni sem hafa komið fram á síðasta áratug: erfðafræði-undirstaða læknisfræði og nanótækni. Hvert þeirra hófst á þessari öld með verulegum byltingum og miklum fögnuði. Röðun erfðamengis mannsins var fyrst tilkynnt snemma árs 2001; National Nanotechnology Initiative, sem hjálpaði til við að koma af stað stórum hluta nanótæknirannsókna í dag, fékk sína fyrstu alríkisfjármögnun árið 2000. Þó að öll þessi þrjú tækni hafi framleitt slatta af nýjum vörum, hefur engin haft þau umbreytingaráhrif sem margir sérfræðingar bjuggust við. Hvers vegna tekur það svo langan tíma fyrir jafn augljóslega mikilvæg og verðmæt tækni að hafa áhrif? Hvernig býrðu til vinsælar vörur úr róttækri nýrri tækni? Og hvernig laðar þú að hugsanlega notendur?

Þolinmæði, þolinmæði
Þrátt fyrir efnahagslegt, félagslegt og vísindalegt mikilvægi tækninnar er aðferðin við að skapa hana illa skilin. Sérstaklega hafa vísindamenn að mestu gleymt spurningunni um hvernig tækni þróast með tímanum. Það er upphafið að The Nature of Technology eftir W. Brian Arthur, tilraun til að þróa yfirgripsmikla kenningu um hvað tækni er og hvernig hún þróast. Arthur byrjaði að vinna í bókasafninu við Stanford háskólann. Þegar ég byrjaði að lesa varð ég undrandi á því að sumar lykilspurninganna hefðu ekki verið hugsaðar mjög djúpt, rifjaði hann upp í nýlegu viðtali. Þó að mikið hafi verið skrifað um félagsfræði tækni og verkfræði, og það er nóg um sögu ýmissa tækni, sagði hann, að það væru stórar eyður í bókmenntum. Hvernig þróast tæknin í raun og veru? Hvernig skilgreinir þú tækni?



hlekkur

mér líður eins og vélmenni

Einkaleyfiskort sem búið er til af IPVision, með aðsetur í Cambridge, MA, sýnir margar af helstu uppfinningum Stephen Quake og Fluidigm á síðasta áratug sem gera mögulega örflæðisflögur fyrirtækisins. Tímalínan sýnir nokkrar helstu fyrstu framfarir og hvernig örflæðisfræði nútímans notar bæði framfarir í örframleiðslu og lífefnafræði. Svo flókið net uppfinninga er ekki óalgengt í þróun nýrrar tækni.
Inneign: IPVision

Arthur vonast til að gera fyrir tækni það sem Thomas Kuhn gerði fyrir vísindin í The Structure of Scientific Revolutions árið 1962, sem lýsti því hvernig vísindalegar byltingar verða til og hvernig þær eru samþykktar. Lykilatriði í röksemdafærslu Arthurs er að tæknin hafi sín sérkenni og eðli og að hún hafi of lengi verið meðhöndluð sem undirgefin vísindum eða einfaldlega sem hagnýt vísindi. Vísindi og tækni eru algjörlega samtvinnuð en ólík, segir hann: Vísindi snúast um að skilja fyrirbæri, en tækni snýst í raun um að virkja og nýta fyrirbæri. Þeir byggja upp úr hvort öðru.

Arthur, fyrrverandi prófessor í hagfræði og mannfjöldafræðum við Stanford, sem nú er utanaðkomandi prófessor við Santa Fe Institute og gestarannsóknarmaður við Palo Alto Research Center, er ef til vill þekktastur fyrir vinnu sína á flækjukenningum og fyrir greiningu sína á vaxandi ávöxtun, sem hjálpaði til við að útskýra hvernig eitt fyrirtæki kemur til með að ráða yfir markaði fyrir nýja tækni. Það má deila um hvort hann uppfyllir markmið sitt um að móta stranga tæknikenningu. Bókin gefur hins vegar ítarlega lýsingu á einkennum tækninnar, prýdd af áhugaverðum sögulegum fróðleik. Og það veitir samhengi til að byrja að skilja oft erfiða og langa ferli sem tækni er nýtt í viðskiptalegum tilgangi.

nota bluetooth heyrnartól sem heyrnartæki

Sérstaklega dýrmæt er innsýn Arthurs í því hvernig mismunandi tæknisvið þróast á annan hátt miðað við einstaka tækni. Lén, eins og Arthur skilgreinir þau, eru hópar af tækni sem passa saman vegna þess að þau beisla sameiginlegt fyrirbæri. Rafeindatækni er lén; tæki þess – þéttar, inductors, smári – vinna öll með rafeindum og passa þannig náttúrulega saman. Sömuleiðis, í ljóseindatækni, vinna leysir, ljósleiðarar og ljósrofar allir ljós. Þar sem einstök tækni, td þotuhreyfillinn, er hönnuð fyrir ákveðinn tilgang, er lén verkfærakista af gagnlegum íhlutum - samsetning tækni - sem hægt er að beita í mörgum atvinnugreinum. Tækni er fundin upp, skrifar Arthur. Lén kemur stykki fyrir stykki úr einstökum hlutum þess.

Aðgreiningin er mikilvæg, heldur hann því fram, vegna þess að notendur geta fljótt tileinkað sér einstaka tækni til að skipta um núverandi tæki, en ný lén verða fyrir mögulegum notendum sem verða að reyna að skilja þau, finna út hvernig eigi að nota þau, ákvarða hvort þau séu þess virði og búa til forrit fyrir þá. Á meðan verða þeir sem þróa nýju lénin að bæta verkfærin í verkfærakistunni og finna upp þá hluti sem vantar sem eru nauðsynlegir fyrir ný forrit. Allt þetta tekur venjulega áratugi, segir Arthur. Það er mjög, mjög hægt ferli.

Það sem Arthur kemur aðeins inn á í stuttu máli er að þessi þróun nýrrar tækni jafnast oft á við enn kunnuglegri framfarir: eldmóð um nýja tækni, vonbrigði fjárfesta og notenda þar sem tæknin nær ekki að standa undir ofgnóttinni og hægfara. endurkomu þegar tæknin þroskast og byrjar að mæta þörfum markaðarins.

Lausn að leita að vandamálum
Seint á tíunda áratugnum varð örvökvi (eða, eins og það er stundum kallað, lab on a chip-tækni) enn eitt ofboðið framfarir á tímum sem þeir eru alræmdir. Talsmenn töluðu um möguleika flísanna. En tækin gátu ekki framkvæmt flóknar vökvameðferðir sem þarf fyrir mörg forrit. Þeir voru taldir koma í staðinn fyrir allt. Það kom greinilega ekki of vel út, segir Michael Hunkapiller, áhættufjárfestir hjá Alloy Ventures í Palo Alto, Kaliforníu, sem fjárfestir nú í nokkrum sprotafyrirtækjum, þar á meðal Fluidigm. Geta tækninnar á tíunda áratugnum, segir hann, hafi verið mun minna alhliða en efla.

Vandamálið, eins og Arthur gæti orðað það, var að það vantaði lykilhluta í verkfærakistuna. Áberandi meðal nauðsynlegra íhluta voru lokar, sem gera kleift að kveikja og slökkva á flæði vökva á tilteknum stöðum á flísinni. Án loka hefurðu bara slöngu; með lokum geturðu smíðað dælur og byrjað að hugsa um leiðir til að smíða pípulagnir. Vandamálið var leyst í rannsóknarstofu Stephen Quake, þá prófessors í hagnýtri eðlisfræði við Caltech og nú í lífverkfræðideild Stanford. Quake og félagar hans í Caltech fundu einfalda leið til að búa til loka í örvökvarásum á fjölliðaplötu. Innan tveggja ára frá útgáfu blaðs um lokurnar hafði hópurinn lært hvernig á að búa til örfljótandi flís með þúsundum loka og hundruðum hvarfhólfa. Þetta var fyrsti slíkur flís sem verðugur var að bera saman við samþætta hringrás. Tæknin fékk leyfi til Fluidigm, sem Quake stofnaði árið 1999.

Besta DNA prófið fyrir þjóðerni 2016

Á sama tíma fundu aðrar fræðilegar rannsóknarstofur upp aðrar sífellt flóknari leiðir til að vinna með vökva í örvökvatækjum. Niðurstaðan er ný kynslóð fyrirtækja með mun færari tækni. Samt eru margir hugsanlegir notendur enn efins. Enn og aftur, örvökvafræði lendir í kunnuglegum áfanga tækniþróunar. Eins og David Weitz, eðlisfræðiprófessor við Harvard og stofnandi nokkurra örvökvafyrirtækja, útskýrir: Þetta er dásamleg lausn sem er enn að leita að bestu vandamálunum.

Það eru fullt af möguleikum. Lífeindafræðingar eru farnir að nota örvökva til að skoða hvernig einstakar frumur tjá gen. Í einni tilraun nota krabbameinsrannsóknarmenn eina af flísum Fluidigm til að greina æxlisfrumur í blöðruhálskirtli og leita að mynstrum sem myndi hjálpa þeim að velja lyf sem munu berjast gegn æxlinu á skilvirkasta hátt. Einnig hefur Fluidigm nýlega kynnt flís sem er hannaður til að rækta stofnfrumur í nákvæmlega stýrðu örumhverfi. Eins og er, þegar stofnfrumur eru ræktaðar í rannsóknarstofunni, getur verið erfitt að líkja eftir efnafræðilegum aðstæðum í lifandi dýri. En örsmáa hópa stofnfrumna væri hægt að skipta í hluta af örvökvaflögu og baða í samsetningu lífefna, sem gerir vísindamönnum kleift að hámarka vaxtarskilyrði þeirra.

Og örvökvi gæti gert mögulegt ódýrt og flytjanlegt greiningartæki til notkunar á læknastofum eða jafnvel fjarlægum heilsugæslustöðvum. Í orði, sýnishorn af, segjum, blóð gæti verið sleppt á örvökva flís, sem myndi framkvæma nauðsynlega lífgreiningu - að bera kennsl á vírus, greina krabbameinsprótein eða finna lífefnafræðileg merki um hjartaáfall. En í læknisfræðilegum greiningu eins og í líflæknisfræðilegum rannsóknum hefur örvökvafræði enn ekki verið almennt tekin upp.

Aftur, greining Arthurs býður upp á skýringu. Notendur sem kynnast nýju verkfærunum verða að ákveða hvort þau séu þess virði. Þegar um er að ræða mörg greiningarforrit verða líffræðingar að skilja betur hvaða lífefnafræðileg efni á að greina til að þróa próf. Á meðan verða þeir sem þróa örvökvatæki að gera tækin auðveldari í notkun. Eins og Arthur minnir okkur á, verða vísindin og tæknin að byggja á hvort öðru og tæknifræðingar verða að finna upp þá hluti sem vantar sem notendur vilja; þetta er hæg, vandmeðfarin þróun.

Það er oft erfitt að spá fyrir um hverjir þeir hlutir sem vantar verða. Hunkapiller minnir á markaðssetningarsögu sjálfvirka DNA raðgreiningartækisins, vél sem hann og samstarfsmenn hans fundu upp hjá Caltech og var markaðssett árið 1986 hjá Applied Biosystems. (Vélin hjálpaði til við að gera Human Genome Project mögulegt.) Stundum er það undarlegur hlutur sem fær tækni á flug, segir hann. Sjálfvirk raðgreining varð ekki vinsæl fyrr en um 1991 eða 1992, segir hann, þegar fyrirtækið kynnti sýnishornsbúnað. Þrátt fyrir að þetta hafi ekki verið sérstaklega glæsileg tækniframfarir - sannarlega ekki á stigi sjálfvirka raðgreiningarinnar sjálfs - hafði settið gífurleg áhrif vegna þess að það gerði það auðveldara að nota vélarnar og leiddi til áreiðanlegri niðurstöður. Allt í einu rifjar hann upp að salan jókst: Það var ekki mikið mál að borga 0.000 fyrir vél lengur.

Í nýlegu viðtali sýndi Whitesides örvökvaflögu úr pappír þar sem vökvar berast í gegnum rásir í pínulitla hólf þar sem prófunarviðbrögð eru framkvæmd. Svo dró hann nýjan snjallsíma, enn í plastumbúðunum, upp úr kassanum sínum. Hvað ef, velti hann fyrir sér, þú gætir einhvern veginn notað myndavél símans til að fanga gögn örflögunnar og notað reiknikraft hans til að vinna úr niðurstöðunum, í stað þess að treysta á fyrirferðarmikla hollustu lesendur? Einföld útlestur í síma gæti gefið notandanum þær upplýsingar sem hann eða hún þarfnast. En áður en það gerist, viðurkenndi hann, að ýmsar aðrar framfarir yrðu nauðsynlegar. Reyndar, eins og minnt væri á erfiða starfið framundan, renndi Whitesides snjallsímanum fljótt aftur í kassann.

David Rotman er ritstjóri Tækniskoðun .

fela sig

Raunveruleg Tækni

Flokkur

Óflokkað

Tækni

Líftækni

Tæknistefna

Loftslagsbreytingar

Menn Og Tækni

Silicon Valley

Tölvun

Mit News Tímaritið

Gervigreind

Rými

Snjallar Borgir

Blockchain

Eiginleikasaga

Alumni Prófíll

Alumni Tenging

Mit News Lögun

1865

Mín Skoðun

Messugötu 77

Hittu Höfundinn

Prófílar Í Rausnarskap

Sést Á Háskólasvæðinu

Alumni Bréf

Fréttir

Kosningar 2020

Með Vísitölu

Undir Hvelfingu

Brunaslanga

Óendanlegar Sögur

Tækniverkefni Heimsfaraldurs

Frá Forseta

Forsíðufrétt

Myndasafn

Mælt Er Með