Forskere udvikler programmerbart mikrolaboratorium

Videnskabelige nybrud 10. maj 2022 4 min Professor, Section Head and Deputy Director Jan Madsen, Professor Winnie Edith Svendsen Skrevet af Kristian Sjøgren

I et lille mikrolaboratorie kan forskere flytte rundt på små dråber af væske og lave forsøg i mikrostørrelse. Forskerne kan blandt andet lave cellekloningsforsøg. Lige nu er de i færd med at udvikle den teknologiske platform, så mikrolaboratoriet kan udføre forsøg fuldautomatisk og med minimalt behov for assistance fra mennesker.

Interesseret i Videnskabelige nybrud? Vi kan holde dig opdateret helt gratis

Forskere fra Danmarks Tekniske Universitet (DTU) har udviklet et mikrolaboratorie, der fungerer ved at flytte dråber rundt på en chip i miniatureforsøg.

Mikrolaboratoriet, der ikke er større, end det kan være i hånden, kan i forskellige scenarier erstatte traditionelle forsøg, der førhen har krævet arbejdsgange, hvor forskere har flyttet rundt på ”store” mængder væske i flasker og kolber.

I forskningsverden kaldes disse mikrolaboratorier for lab-on-a-chip eller microfluidic biochips.

Mikrolaboratorierne kan både benyttes til at lave forsøg i mindst mulig størrelse for at spare på reagenser og øge reaktionshastigheden i forsøgene, men de kan også benyttes diagnostisk, eksempelvis har forskerne vist, at det er muligt at bruge mikrolaboratorier til at teste for COVID-19.

Tanken bag mikrolaboratorierne er, at de skal kunne programmeres og selvstændigt udføre konkrete operationer og forsøg. Denne underliggende computerplatform har forskerne fra DTU nu videreudviklet.

"Det her arbejde går ud på at forklare hele designkonceptet bag at lave sådan et system, der skal kunne konfigureres og rekonfigureres. Vi prøver på den måde at anvende det, som vi har lært af hele computerrevolutionen, i udviklingen af mikrolaboratorierne," fortæller professor og vicedirektør Jan Madsen fra Institut for Matematik og Computer Science ved Danmark Tekniske Universitet (DTU Compute).

Forskningen, der er udført i et tværdisciplinært team af forskere fra DTU Compute, DTU Bioengineering og DTU Biosustain, er offentliggjort i Micromachines.

Flytter forsøg ned i mikrostørrelse

Mikrolaboratoriet fra DTU anvender en teknik, som kaldes digital microfluidic. Teknikken fungerer ved, at spændingsfelter flytter rundt på dråber af væske på en overflade.

Ved at flytte rundt på væskerne og blande de relevante reagenser med hinanden kan forskere lave de samme forsøg i mikroskopisk størrelse, som de kan i et rigtigt laboratorium.

Som eksempel arbejder Jan Madsen sammen med sine kollegaer på at vise, at det er muligt at lave fuld cellekloning på en microfluidic biochip fremfor i reagensglas, hvilket er den normale procedure i dag.

På biochippen kan forskerne ved hjælp af PCR, hvor DNA-stumper i en dråbe opformeres ved hjælp af en række opvarmninger og afkølinger, få en tilstrækkelig stor mængde DNA, hvorfra de ønskede stykker kan udvælges og transformeres ind i en levende celle. Cellen kan derved få nogle nye egenskaber.

Cellekloning i mikrolaboratoriet kan være anvendeligt inden for udvikling af nye gærceller til ølproduktion eller inden for udvikling af nye kræftterapier. Processen kræver dog en lang række operationer, hvor væskedråber blandt andet blandes og splittes til flere mindre dråber.

"Det er helt fundamentale processer, som kan være interessante at lave i mikroskopisk størrelse, hvor det kan køre fuldautomatisk og uden laboranter involveret. Hele processen, som normalt bliver udført i et stort laboratorium, kan i stedet udføres i en lille maskine, der kan holdes i hånden," forklarer Jan Madsen.

Kan lave forsøg af sig selv

Mikrolaboratoriet, som Jan Madsen selv har bygget sammen med sine kollegaer, har i lang tid lokket med løftet om en helt ny måde at lave forsøg på.

Problemet har dog indtil videre været, at det skal være lettere at arbejde med.

Helt specifikt er problemet, at mikrolaboratoriet skal kunne programmeres, så det helt selvstændigt kan følge nogle forudbestemte instrukser, men også reagere på det, som sker i dråberne undervejs. Programmerne skal være dynamiske.

Det kan dreje sig om, at de skal gøre det ene eller det andet ved en given temperatur eller sigte efter en given koncentration af et reagens i forsøget.

"På DTU Compute står vi for at udvikle hele computersystemet og sikre, at det kan stille nogle operationer til rådighed for brugeren, så laboratoriet kan programmeres ligesom en computer. Man skal kunne fortælle maskinen, hvad den skal gøre, uden at man nødvendigvis kender til funktionerne, der skal realisere det. Så skal computersystemet omsætte det til handling," siger Jan Madsen.

Skal være til at programmere

I forskningen prøver Jan Madsen sammen med sine kollegaer at tage computersystemet til det næste niveau.

Tager vi cellekloningsprocessen som eksempel, kan forskerne allerede nu få de forskellige trin i processen til at køre fuldautomatisk i mikrolaboratoriet, men problemerne opstår, når hele processen skal løbe fra start til slut over flere timer. Der mangler forskerne stadigvæk at få tacklet de sidste udfordringer.

Jan Madsen forklarer, at arbejdet også går ud på at få hele programmeringsdelen til at spille sammen med de operationer, som mikrolaboratoriet stiller til rådighed, eksempelvis at mikse ingredienser, ændre i temperaturen osv.

"Vi er interesseret i at kunne fortælle systemet, at det eksempelvis skal tage så og så meget af væskerne A og B og blande dem i 12 minutter ved 55 grader. I en computer er det en abstrakt beskrivelse, som den så skal finde ud af at oversætte til en sekvens af basale operationer, som platformen stiller til rådighed. Derudover skal systemet kunne gøre flere ting på én gang," siger han.

Der er fortsat bump på vejen

Jan Madsen fortæller, at forskerne har arbejdet på udviklingen af systemet i nogle år, gjort fremskridt, men også stødt på problemer.

Det er som eksempel forholdsvis let at flytte rundt på dråber af vand, men når vi taler om biologiske materialer, er det straks sværere, fordi det er langt mere komplekst at sikre, at dråber med biologisk materiale kan flyttes rundt på overfladen uden at efterlade biologisk materiale, der kan forurene andre dråber.

Den nød er forskerne dog også ved at knække.

Derudover er det en udfordring, at meget små væsker let fordamper, når de varmes op.

"Der er nogle udfordringer, men der er også nogle fordele ved at arbejde i så små volumener. Blandt andet kan man med kameraer og sensorer hele tiden holde styr på, hvor de forskellige ting er. Det gør også, at vi kan lave betingede eksperimenter, hvor mikrolaboratoriet udfører givne operationer betinget af, hvad der foregår i forsøget, blandet andet i de biokemiske reaktioner inde i selve dråben," siger Jan Madsen.

"BiowareCFP: An Application-Agnostic Modular Reconfigurable Cyber-Fluidic Platform" er udgivet i Micromachines. Medforfatter Winnie E. Svendsen modtog i 2018 støtte fra Novo Nordisk Fonden til projektet ”MagicBox: Digital microfluidics platform for strain development in biotechnology”. Forskningen er desuden støttet af Copenhagen Center for Health Technology (CACHET).

I am a Professor in computer based systems at DTU Compute at the Technical University of Denmark and Head of the section on Embedded Systems Engineeri...

The NaBIS vision is to develop unique bio-analytical systems utilizing cutting-edge micro/nanotechnology and digitalization. We bridge biology with te...

Dansk
© All rights reserved, Sciencenews 2020