Forskere gentænker biologi én dråbe ad gangen

Inden for forskning eksisterer der en drøm om at kunne lave forsøg i mikroskopisk størrelse, helt ned til i en enkelt dråbe, så man kan spare materialer samt tid og dermed penge.

Et dråbelaboratorie ville gøre det muligt at lave avancerede eksperimenter i små dråber på en chip, hvor hele forsøg, for eksempel hvad der skal blandes sammen hvornår og under hvilken temperatur, meget præcist kontrolleres fra en computer.

Blandt andet processer som PCR (Polymerase Chain Reaction), hvor små mængder DNA forstørres, så de kan analyseres, eksempelvis til at diagnosticere sygdomme eller forstå genetiske sekvenser.

»Vi har allerede udviklet et digitalt mikrofluidik-system, som er en teknologi, der gør det muligt at arbejde med bittesmå mængder væsker på overfladen af en chip. Her kan eksperimenter udføres i små vanddråber. Dråbelaboratoriet kan erstatte store maskiner og flasker i laboratoriet og gøre det muligt at udføre hundredvis af forsøg på den tid, det normalt tager at lave få,« forklarer en af forskerne bag et nyt studie om emnet, professor Winnie E. Svendsen fra DTU Bioengineering ved Danmarks Tekniske Universitet (DTU).

Forskningen er offentliggjort i Talanta.

Har tilpasset teknologien til biologiske systemer

Hidtil har udviklingen af digital micro fluid-systemet være centreret omkring potentialet inden for kemien, men nu har forskere ved hjælp af specielle overflader (SLIPS) med teflon og silikoneolie bragt systemet tættere på også at kunne blive brugt inden for molekylærbiologisk forskning. SLIPS-overflader sikrer, at biologiske materialer som celler og proteiner ikke hænger fast, hvilket minimerer risikoen for forurening og gør eksperimenterne mere præcise.

»Det handler om at bringe forsøg ned i mikrostørrelse, så man sparer reagenser og tid, mens SLIPS-overflader sikrer, at biologiske materialer ikke hænger fast. Det forhindrer forurening og gør det lettere at kontrollere processerne.«

Grundlæggende handler det om at skabe et kemisk laboratorie i en dråbe på en chip. Den tilgang reducerer ressourceforbruget og øger effektiviteten, hvilket har inspireret forskerne til nu at tilpasse teknologien til biologiske systemer.

»Vi har nu undersøgt, hvordan vi også kan bringe et molekylærbiologisk laboratorie ned i mikrostørrelse. Det er langt mere udfordrende fordi man meget præcist skal kunne styre komplekse processer og beskytte følsomme materialer.«

Kollega ville lave biologiske forsøg i mikro-størrelse

Winnie E. Svendsen har i mange år arbejdet på at udvikle micro fluid-systemet, så det kan udnyttes som en bedre løsning til kemiske forsøg.

Hun fortæller, at hun blev kontaktet af hendes kollega, Irina Borodina, der ville høre, om det også var muligt at udvikle et micro fluid-system til molekylærbiologisk forskning, for eksempel kloningsforsøg eller PCR, hvor DNA opformeres i reagensglas.

Inden for denne type forskning er det i dag standard, at man benytter pipetter, flasker, kolber og meget store og dyre maskiner, men Irina Borodina drømte om at bringe de molekylærbiologiske forsøg ned i dråbestørrelse.

Der er dog forskel på at lave kemiske forsøg og biologiske forsøg i et micro fluid-system, og det er netop det, der bliver adresseret i det nye studie.

»Biologiske materialer er forskellige fra at flytte væsker med forskellige farver rundt på en chip. Når man putter biologi på overfladen af materialer, kan de sættes sig fast, og det betyder, at man kan bringe forurening fra ét forsøg til det næste. Det var vi nødt til at finde en løsning på, hvis det skulle blive muligt at lave molekylærbiologisk forskning på en chip,« forklarer Winnie E. Svendsen.

Teflonoverflader forhindrer forurening med biologisk materiale

For at løse problemet udviklede forskerne de såkaldte SLIPS-overflader, som fungerer lidt som teflon på en stegepande, hvor ting har meget svært ved at hæfte fast.

Teflon alene var dog ikke godt nok, da biologisk materiale som celler og proteiner stadig kunne sætte sig fast i små huller på teflonoverfladen.

For at løse denne udfordring dækkede forskerne hullerne med en tynd silikoneolie, som skabte en glat overflade, hvor intet sidder fast.

Udviklingsprojektet har i sin helhed fået navnet ”MagicBox”.

»MagicBox-projektet sigter mod at revolutionere strain-udvikling inden for molekylærbiologi. Ved at kombinere SLIPS-teknologi med digital automatisering er MagicBox designet til at automatisere hele kloningsprocessen fra PCR til transformation. Denne kompakte platform vil i fremtiden kunne understøtte parallelle forsøg og give mindre laboratorier adgang til avanceret teknologi samt reducere omkostningerne ved at minimere manuelle indgreb,« forklarer Winnie E. Svendsen.

Ikke længere behov for sæbe i biologiske forsøg

Winnie E. Svendsen forklarer, at den nye overflade forhindrer forurening af forsøgene mellem hvert trin i forsøgsprotokollen og mellem hvert forsøg.

Inden for molekylærbiologisk forskning er forskere desuden ofte nødt til at benytte en slags sæbe til at udvaske med, for at ingredienserne i de biologiske forsøg kan bevæge sig frit, men det er heller ikke nødvendigt ved brugen af SLIPS-overfladen.

Det vil sige, at ud over at sikre mod forurening minimerer teflon-overfladen også brugen af andre kemikalier, der ikke har noget direkte at gøre med de molekylærbiologiske forsøg.

Denne integration giver hurtigere arbejdsgange, højere nøjagtighed ved at eliminere biofouling og betydelige omkostningsbesparelser gennem reduceret brug af reagenser og automatisering.

»Ved at forbedre PCR uden surfaktanter, for eksempel sæbe, muliggør SLIPS automatisering af hele kloningsforløb på en digital platform. Vi kan som eksempel kopiere DNA hurtigere og uden brug af kemikalier, der kan forurene processen,« siger Winnie E. Svendsen.

Stort industrielt potentiale

Winnie E. Svendsen ser flere forskellige områder, hvor et mikro-molekylærbiologisk laboratorium på en chip kan være særdeles interessant.

For eksempel er kloningsforsøg helt standard inden for rigtig meget industriel forskning, hvor forskere forsøger at få alt fra bakterier til gærsvampe til at producere farvestoffer, duftstoffer, brændstoffer eller alle mulige andre attraktive stoffer.

Denne type kloningsforsøg tager i dag tid, men med et digitalt micro fluid-system baseret på SLIPS-overflader kan det hele gøres på små chips, så forskere kan lave tusindvis af automatiserede kloningsforsøg på samme tid uden risiko for forurening, eller at materiale hænger fast fra tidligere forsøg.

»I fremtiden håber vi også at inkludere sensorer i vores system, så vi ikke bare kan udføre forsøg i små dråber, men også analysere dem i realtid. For eksempel kan vi tjekke, om en kloning er udført korrekt. I dag skal en laborant manuelt tjekke hvert forsøg, men hvis vi kan integrere sensorer i vores system, kan hele processen automatiseres.«

Forskerne ønsker også at udvikle systemet, så platformen kan automatisere, udføre og analysere hele den biologiske forskningsproces – fra PCR til transformation og kloning.

»Samtidig kan vi til sidst analysere resultaterne og for eksempel udvælge den klon, der producerer det bedste brændstof, uden at noget skal flyttes fra chippen, « siger Winnie E. Svendsen.