Blått ljus, rött ljus

Det är en inbilskhet av Frankenstein-monstertyp, men biologen Todd H. Rider '91, SM '91, SM '94, PhD '95, har aldrig hållit sig undan tanken att han kan vara en galen vetenskapsman. Faktum är att han omfamnar det. Hans förebilder har varit filmernas vildhåriga vetenskapsmän, de med avhoppare och en ovilja att stå på metodisk ceremoni. Han lånar till och med deras rader. Innan ett experiment som krävde att han skulle vrida en strömbrytare ropade han, Ge min skapelse liv!

Jag tror att jag skrämde upp många, säger han nu.

Den 35-åriga infödingen i Arkansas specialiserar sig på att jaga något som många tycker är mer skrämmande än Frankensteins monster: dödliga bakterier och virus.

Rider och hans team från Lincoln Laboratory fick nationell uppmärksamhet i juli för sitt arbete med ett nytt system för att upptäcka potentiellt dödliga patogener, såsom mjältbrand eller legionärssjuka, som länge har fruktats i sin egen rätt men som blivit ännu mer skrämmande för deras ev. användning i biologiska vapen. Känd som cellulär analys och meddelande om antigenrisker och avkastning, eller förkortat Canary, använder den utvecklade detektorn av Rider vita blodkroppar - kroppens första försvarslinje mot sjukdomar - för att testa substanser för förekomsten av vissa patogener.

Till skillnad från nuvarande detektionssystem som använder DNA-förstärkande reaktioner som kan ta en timme eller mer, ger Riders teknik information på några sekunder. Med allmänheten gnuggad över hotet om biologisk krigföring och bioterrorism, och städer i karantän på grund av snabbt spridande virus som SARS, kan detektorns potential att tillhandahålla avläsningar på plats leda till en mängd olika användningar av första-svar, från läsning slem som tillförts av en mystiskt sjuk akutbesökare för att testa vitt pulver kort efter att det flyger ut ur ett kuvert. Rider tror också att detektorn kan anpassas för att dra partiklar från luften, för att avgöra om biologiska vapen har släppts på stridsfältet.

Justera en naturlig reaktion

Naturen, säger Rider, visar redan att vita blodkroppar upptäcker patogener. När antikropparna på en sådan cell binder till ett virus eller en bakterie utlöser de en kalciumsignal. Det får cellen att gå på krigsstigen och bekämpa inkräktarna. Rider trodde att om han kunde hitta ett enkelt sätt att upptäcka kalciumsignalen, kunde han utveckla en patogensensor.

Det är smart, säger Dr. David Relman, en professor vid Stanford University som studerar patogendetektion. Jag älskar idén att samarbeta med ett biologiskt system som redan är fast för snabb respons.

Men när Rider först började arbeta med idén, strax efter att ha kommit till Lincoln Lab 1997, var folk inte så mottagliga. Många människor på Lincoln Lab hade inte tagit det på största allvar, säger han. Utöver det hade Lincoln Lab inget biologiskt laboratorium. Så den ungdomlige vetenskapsmannen - 28 vid den tiden, med bara ett år i den verkliga världen efter nio år på MIT - tvingades hitta bänkutrymme på campus tills han kunde konstruera en vit blodkropp som skulle avslöja kalciumreaktionen.

Rider hittade det utrymmet i biologiprofessorn Jianzhu Chens labb. Chen, som forskar om immunologi, hjälpte också Rider att säkra tidigt finansiering från den mantel-och-dolk skara som har gått till bankrulle mycket av Canarys utveckling. U.S. Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), en amerikansk militäransluten finansieringskälla för vetenskapliga projekt, var intresserade av patogendetektering, och Riders team åkte ner till Washington för att göra vad som i slutändan var en framgångsrik presentation.

Med tillräckliga resurser bakom sig kunde Rider börja undersöka ett protein som han länge ansett lova: aequorin, som kommer från den glödande maneten Jämlik seger och har en väldokumenterad förmåga att producera ljus som svar på kalcium. Rider använde elektricitet för att blåsa hål i vita blodkroppar som hade extraherats från en mus, och infunderade sedan dessa celler med maneternas genetiska instruktioner för tillverkning av aequorin. Teorin var att när antikroppar på cellernas ytor låste sig vid deras patogener, skulle de utlösa en kalciumsignal, som skulle aktivera aequorinet och få cellerna att lysa blått. Det blå ljuset, även om det inte var synligt för blotta ögat, kunde mätas med en luminometer, som skulle skicka resultaten till en dator, som skulle generera en avläsning.

I mitten av 1998 hade Rider programmerat cellerna att avge ljus som svar på fosforylkolin-ovalbumin, en säker kemisk stand-in för virus och bakterier. Men principen var densamma, och denna första framgång gav konceptet den trovärdighet som Rider behövde för att fortsätta.

Han och hans team flyttade sedan tillbaka till Lincoln Lab och började handla efter patogena antikroppar, med hjälp av mängden sjukdomsframkallande bakterier och virus som studerats i andra laboratorier. Efter mycket försök och misstag utvecklade biologen Martha Petrovick en ny version av ett genetiskt ingenjörsverktyg känt som en DNA-vektor som gjorde det möjligt för Rider och hans team att producera vita blodkroppar med antikroppar på sina ytor som svarade på specifika patogener. Dessa inkluderade mjältbrand, böldpest, den patogena stammen av E coli , klamydia, smittkoppor och ett halvdussin andra virus och bakterier fruktade för deras potentiellt negativa effekter på folkhälsan eller användning i bioterrorvapen.

Men teamet stod fortfarande inför ett avgörande problem: de vita blodkropparna och patogenerna hade problem med att lokalisera varandra under testningen. Reaktionen tog för lång tid och signalen från luminometern var för låg. Vi var tvungna att hitta på något sätt att göra reaktionen snabbare och mer uppenbar, säger James Harper, PhD '98, Lincoln Lab-anställd som ledde hårdvaruteknik för Canary.

Lösningen var att använda en centrifug för att snurra ett provs cellmaterial mot botten av dess behållare, lägga till de vita blodkropparna och snurra ner dem ovanpå provet, vilket tvingar de två i nära kontakt med varandra. Det som hade tagit minuter tog nu sekunder.

I många av dessa system är begränsningen masstransport, säger Duane Lindner '72, biträdande chef för kemi- och biologiprogram vid Sandia National Laboratories i Livermore, CA, som utvecklar sina egna patogendetektionssystem. Det tar mycket tid för dessa stora saker att komma över varandra. Deras arbete har belyst hur snabba systemen kan vara.

Snabbt och enkelt kanske?

Det är den hastigheten som har både militären och privata företag intresserade av potentialen hos den nya detektorn. Redan före terrorattackerna den 11 september 2001 hade militären varit intresserad av något som kunde analysera luften för biologiska vapen. Folkhälsomyndigheter var också ivriga efter något som snabbt kunde kontrollera en sändning av mat för E. coli. Den senaste tidens oro för mystiska, möjligen mjältbrandsfyllda vita pulver som skickats via USA:s post och rädslan för snabbspridande virus, som SARS, har gjort räddningspersonal och kliniker lika intresserade av att upptäcka patogener som militären.

Tekniken som används på Kanarieöarna är redan nära att kunna anpassas till många av dessa användningsområden, säger dess utvecklare, som tror att den nuvarande prototypen av en centrifug, luminometer och dator skulle kunna inkluderas i ett fälttestsats ungefär lika stor som en resväska, till en hårdvarukostnad på någonstans mellan $7 000 och $10 000.

Vi designar det avsiktligt så att det blir väldigt lätt att använda, säger Rider. Vissa av de nuvarande systemen använder ganska mycket träning. Vi vill att det kan användas för armésoldater, medicinsk personal, räddningspersonal. Du lägger helt enkelt till provet i cellen och ser om det lyser.

Rider utvecklar också vad han lekfullt kallar en gigantisk snorfler-ting för att suga partiklar från luften på känsliga platser och testa dem. Detektorceller som används i enheten kan nu överleva i upp till två veckor innan de behöver bytas ut. Även om Rider kallar cellerna förvånansvärt tåliga, säger andra att de inte är tillräckligt robusta, särskilt för ett stort civilt försvarsmål, ett system som autonomt samlar in prover från luften och testar dem för patogener.

Ytterligare andra tror att hans process övermatchas av konkurrenterna. DNA-baserade detektionsteknologier, även om de inte är lika snabba som Kanarieöarna, kommer så småningom att kunna testa för ett brett spektrum av patogener samtidigt och till och med avslöja de genetiska egenskaperna hos de organismer som inte lätt kan identifieras. Canary har för mycket fokus på specifika organismer, säger Calvin Chue, en forskare vid Center for Civilian Biodefense Strategies vid Johns Hopkins. Om jag gav dig en okänd patogen, skulle du behöva köra alla dina specifika snabbtest. Eftersom detta kan omfatta ett dussin eller fler körningar är analysen inte längre så snabb. Även efter avslutad körning kan du fortfarande ha en okänd på dina händer, och du kan inte anta att den är godartad.

Rider hoppas dock att Canary i framtiden kommer att kunna göra vilken analys som helst som konkurrerande DNA-baserade teknologier kan göra. Under tiden tror Harper, för en, att fördelarna med att kunna ta en snabb läsning är uppenbara.

DNA är bra för att leta efter nålen i höstacken när du inte vet vad nålen är, säger Harper. Men när det gäller känslighet och hastighet verkar det inte finnas något som kan matcha Canary. Det har potential att vid sängkanten avgöra om någon har en bakteriell eller virusinfektion, innan de ens går upp för att lämna [till] sjukhuset. Det är inte bra för att titta på vad som händer i tusen olika gener, men det är bra för att ge dig det snabbaste och mest känsliga svaret.

Även om mycket av DARPAs tidiga motivation för att finansiera projektet kom från dess intresse av att använda de reaktiva egenskaperna hos olika celler för att fastställa egenskaperna hos okända patogener, snarare än att testa prover för de som redan är kända, är byrån fortfarande nöjd med tekniken . DARPA är en av de platser där du inte är begränsad av ett tema, säger Alan Rudolph, vetenskapsmannen som övervakar projektet för byrån.

Det är bra för Rider, som har haft svårt att förbli begränsad till ett enda tema i akademiska eller forskningsmiljöer. Hans doktorandarbete involverade faktiskt fusionsreaktorer, men han migrerade genom flera minderåriga - inklusive biomedicin - medan han slutförde det. Han vände sig till mikrobiologi efter att hans avhandling visade på problem med olika fusionsreaktorer som gjorde honom, medger han, lite impopulär i reaktorbranschen.

Jag gjorde vissa människor upprörda, så jag bestämde mig för att flytta till ett annat område, säger Rider. Jag hade turen att ha en examen i biomedicin.

Dr Frankenstein kanske håller med.

Dölj