Nanobiotech ställer diagnosen

När han tittar på en elektrisk mätare, väntar Yi Cui, en doktorand vid Harvard Universitys labb hos kemisten Charles Lieber, på bevis på en anmärkningsvärd bedrift inom enkel, ultrakänslig diagnostik. Hans mål är prostatacancer. Hans nya verktyg är ett mikrochip med 10 silikontrådar, var och en bara 10 nanometer (miljarddelar av en meter) bred. Dessa nanotrådar har fyllts med biologiska molekyler med en affinitet för PSA, ett protein som är alltför välbekant för män i en viss ålder som ett tecken på prostatacancer. Om experimentet fungerar enligt plan, när PSA-molekylerna binder till nanotrådarna, kommer det att finnas en detekterbar elektrisk signal.

Cui tvättar en lösning som innehåller prostatacancerproteiner över chipet. Omedelbart registrerar mätaren subtila förändringar, vilket inte bara indikerar att enheten har upptäckt proteinet, utan att den detekterade kanske så få som tre eller fyra molekyler, omedelbart och med minimal provförberedelse - en tidigare oerhörd bedrift. Konsekvenserna för diagnostik är enorma. Ett framgångsrikt prostatacancertest måste skilja mellan normala och förhöjda proteinnivåer. Ultrakänsliga sensorer som Liebers kunde urskilja den minsta ökningen; Dessutom kunde de göra det i billiga engångstester som patienterna kunde använda hemma mellan läkarbesöken. Om jag var i riskzonen för en viss cancer skulle jag inte vilja ta en chans och vänta på att vissa cancerceller skulle växa vilt utom kontroll under ett år eftersom det tidigare testet missade det, säger Lieber.

Den här historien var en del av vårt majnummer 2002

• Se resten av frågan
• Prenumerera

Även om den här nanotrådsenheten bara är en experimentell prototyp, ligger den i spetsen för en växande satsning på labb runt om i världen för att koppla nanoelektronik och biologi till ett nytt område som kallas nanobioteknik. Denna hybriddisciplin producerar en mängd olika verktyg - från uppsättningar av små sensorer som kan detektera specifika biologiska molekyler till mikroskopiska system utskurna av kisel som kan läsa individuella DNA-strängar som kan ge ett nytt fönster på biologiska molekyler.

Konsekvenserna för medicin och bioteknik är otaliga. Förutom att sniffa upp de minsta dofter av sjukdomar - eller kanske upptäcka en enda spore av mjältbrand - kan dessa enheter ge mycket snabbare och enklare diagnos av komplexa sjukdomar. Till exempel kan de ge tidiga varningar om hjärtinfarkt, vars visitkort är subtila förändringar i blandningen av dussintals proteiner. Alternativt kan ett enda mikrochip ge en heltäckande diagnos från en droppe blod. Och för läkemedelsforskare kan nanobiotekniska prylar innebära nya verktyg för att upptäcka och utvärdera potentiella läkemedel snabbare, genom att screena miljontals olika läkemedelskandidater på en gång. Några av dessa mer ambitiösa mål kommer sannolikt att ta år att uppnå, men nanobioteknik kan leda till verkliga enheter som kommer att börja ersätta besvärliga labbbaserade procedurer med billiga, exakta mikrochips om så lite som två år.

Dessa första produkter - chip riggade för att upptäcka en specifik sjukdom eller ett kluster av genetiska störningar - utvecklas redan vid nästan ett dussin nanobiotech-startups (se Sensing Success ) . Larry Bock, VD för Palo Alto, CA-baserad startup Nanosys [ BARN styrelseledamot Robert Metcalfe är en av Nanosys grundare och regissör. Ed.], som har licensierat Liebers teknologi, förutspår att hans företag kommer att marknadsföra en kommersiell sensor inom tre år, först för användning som ett forskningshjälpmedel för att snabbt screena potentiella läkemedel, och senare som ett billigt, engångstest hemma för prostatacancer och kanske andra cancerformer. Folk pratar om nanoteknikens alla underverk men säger sedan att det inte kommer att hända om 20 år till, säger Chad Mirkin, kemist och chef för Institutet för nanoteknik vid Northwestern University. Men det är helt felaktigt för saker som diagnostik. Du kommer att se produkter på marknaden under de kommande två åren.

Kraft i siffror

Biologi och elektronik har länge funnits i separata universum. Men eftersom biologiska molekyler, som DNA och proteiner, är ungefär några nanometer stora, och eftersom fysiker och kemister nu lär sig hur man gör elektroniska enheter i exakt den storleksskala, kolliderar dessa universum. Resultatet är en ny klass av enheter som kombinerar förmågan hos biologiska molekyler att selektivt binda med andra molekyler med nanoelektronikens förmåga att omedelbart upptäcka de små elektriska förändringar som orsakas av sådan bindning. Det som verkligen är intressant med den här tekniken är att den tillåter en att ta de oorganiska komponenterna som normalt skulle vara inbäddade i ett elektriskt chip och kombinera dem med biologiska molekyler, säger Paul Alivisatos, vetenskaplig medgrundare av Nanosys och kemist vid University of California, Berkeley .

Ja, nanoelektroniska enheter som den som byggdes i Liebers labb (ser Känslig tråd ) skulle kunna göra sig av med den komplicerade apparatur som nu behövs för ultrakänslig detektering. Om du ville göra enmolekyldetektion i ett labb idag skulle du behöva en laser som är lika lång som ett skrivbord och en massa sofistikerad optik, kemiska etiketter för att förstärka signalen tillräckligt för att kunna se den, säger Bock.

Att krympa ner sådana ultrakänsliga enheter tillräckligt för att de skulle kunna placeras på chips kan ha många tillämpningar inom diagnostik. Stanford University kemist Hongjie Dai, till exempel, har byggt en enhet som kan detektera glukos med ett enda kolnanorör, en stor kolmolekyl med utmärkta elektriska egenskaper (ser Nanotubedatorn , BARN mars 2002) . Glukosmolekylerna reagerar med molekyler på ytan av nanoröret och skapar elektriska signaler som motsvarar glukoskoncentrationerna, säger han. Även om det bara är ett proof of concept idag, skulle en sådan anordning kunna utvecklas till en implanterbar glukossensor för diabetiker. I december lanserade Dai Molecular Nanosystems i Palo Alto, Kalifornien, för att kommersialisera nanorörsbaserade enheter inklusive biosensorer.

För många applikationer, men vad som verkligen behövs är inte en ensam nanodetektor utan en tät samling av dem. På så sätt kan du snabbt leta efter tusentals, till och med miljoner, olika biologiska molekyler i en enda droppe blod eller annan kroppsvätska, vilket möjliggör diagnos av sjukdomar som har komplexa molekylära signaturer. En sådan sjukdom är reumatoid artrit - en autoimmun sjukdom med många varianter, var och en märkt av subtila skillnader i grupper av proteiner. Helst skulle varje variant bekämpas med en något annorlunda behandling; i praktiken behandlas drabbade idag i allmänhet på samma sätt. Men, säger Dai, en nano-array kan fungera som en mycket exakt och diskriminerande diagnostisk enhet, som ger en färdplan för anpassad behandling.

Dessa arrayer av nanodetektorer lovar fördelar jämfört med befintliga teknologier, som DNA-chips, och de som är under utveckling, som proteinchips. Alla sådana chips kräver fluorescerande märkning av molekyler och optiska mikroskop för att detektera glöden som avges när bindning sker (se DNA-chips Target Cancer, BARN juli/augusti 2001) . Dessutom måste ungefär tusen molekyler binda till varje avkänningselement för att skapa glöden. Med nanoelektronik behövs ingen skrymmande, dyr utrustning, och omedelbar upptäckt av bara ett fåtal molekyler är möjlig.

Känslig tråd

För att upptäcka ett sjukdomsrelaterat protein i ett blodprov beläggs en kiseltråd bara 10 nanometer bred med biomolekyler som bara binder till det proteinet (nedan). När sjukdomsproteinet binder till en molekyl på tråden (infälld), ändras trådens konduktans, vilket ger en omedelbar elektrisk signal.

Klibbigt DNA

Men sensorer med funktioner i nanoskala kan bara lyckas om de är tillräckligt klibbiga för att ta tag i molekyler av intresse. Northwesterns Mirkin ser värde i guld: specifikt guldpartiklar i nanoskala, till vilka han fäster flera fragment av DNA som kan haka fast på DNA-mål. Varje guldpartikel blir som kardborreband, säger han. Under de kommande 18 månaderna, säger Mirkin, kommer han och hans kollegor att bygga en enkel diagnostisk enhet på läkarens kontor som omedelbart kan diagnostisera sjukdomar eller anlag för sjukdomar, beroende på vilka DNA-fragment som används på enheten. Chips kommer att byggas för paneler av sjukdomar, säger Mirkin, inklusive sexuellt överförbara sjukdomar, cystisk fibros och genetiska anlag för tjocktarmscancer och hyperkoagulering av blod (blod som koagulerar överdrivet).

Mirkins prototypchip, under utveckling av Northbrook, IL-baserade Nanosphere, ett företag som han var med och grundade, använder DNA deponerat mellan elektroder på ett mikrochip för att känna igen mål av intresse. Ett prov blandas med dessa kardborreguldpartiklar och tvättas över chipet. Om provet innehåller det riktade DNA, säg genetiskt material från syfilisbakterien, kommer DNA:t att binda till de klibbiga guldpartiklarna och sedan till DNA-fragmenten mellan elektroderna. Guldpartiklarna stänger kretsen och producerar en detekterbar signal. Ju fler elektrodavkänningselement per chip, desto fler sjukdomar - eller genetiska anlag - kan detekteras.

Mirkins grupp anpassar en process som kallas dip-pen nanolitografi för att få möjligheten att bokstavligen skriva ut DNA-molekyler mellan elektroder bara 200 nanometer från varandra. Mirkin hoppas kunna packa hundratals, till och med tusentals, elektrodavkänningselement på ett chip.

Utskrift av molekyler I dip-pen nanolitografi trycks molekyler direkt på en chipyta.

Uppsättningar av konsoler (ovanför) deponerar miljoner, till och med miljarder, av olika molekyler på en yta; i de fall de utskrivna molekylerna binder till specifika gener eller proteiner kan chippet användas för att diagnostisera sjukdomar eller upptäcka läkemedel. Varje cantilever, eller penna, har en kiselspets (vänster) bara några atomer bred vid sin ände. När spetsen rör sig i sidled, dras molekyler fästa vid dess sidor ner till ytan av en vattenmenisk som bildas under spetsen. Den vertikala rörelsen för varje fribärande styrs termiskt, vilket gör att enskilda pennor kan starta och sluta skriva ut.

Mirkins teknologi kan hitta specifikt riktat DNA i ett prov. Men om du faktiskt kunde ta tag i en enda bit av DNA och direkt läsa dess gener, skulle du i teorin kunna identifiera vilken gen som helst, eller till och med komplexa genmönster. Med hjälp av verktyg anpassade från halvledartillverkning byggde fysikern Harold Craighead från Cornell's Center for Nanobiotechnology och hans tidigare postdoktor Stephen Turner ett kiselchip med små kanaler, var och en 50 nanometer i bredd och djup (ser DNA pipeline , Nedan) . Kanalen är så liten att en enda DNA-sträng knappt kan tränga igenom - och det är bara poängen. Ett elektriskt fält får den normalt rullade DNA-kulan att stöta in i kanalen, lindas upp och träs ner.

När det väl har gripits måste DNA:t läsas av för att till exempel se om det innehåller en specifik sekvens. För att göra en sekvens läsbar lägger forskare till fluorescensmärkta DNA-sonder till provet i förväg; proberna binder till målsekvenserna. När varje DNA-molekyl vickar ner i kanalen identifierar en optisk detektor de fluorescerande etiketterna som passerar förbi. Vi behandlar DNA:t som om det är ett inspelningsmedium, säger Turner, som nu är president för Nanofluidics, en startup som försöker kommersialisera Cornell-tekniken. Och precis som en bandspelare spelar vi DNA. Medan Cornell-forskarna för närvarande använder ett externt optiskt mikroskop för att läsa bandet, hoppas de kunna bygga en optisk läsare direkt på chipet med hjälp av optiska fibrer. Turner räknar med att ha en fungerande enhet inom de närmaste åren.

Eftersom verktygen för att göra dessa små kanaler är beroende av samma standardutrustning som används för att tillverka kiselchips för mikroelektronik, tänker Turner göra nanofluidchip med tusentals och till och med miljontals kanaler och optiska fibrer. Med sådana anordningar, säger Turner, kan läkare en dag ta en droppe blod från en patient, släppa den på mikrochippet och snabbt skanna DNA:t i provet efter genetiska markörer för sjukdom. Enheten kan också hjälpa läkare att välja precis rätt läkemedel för patienten.

DNA pipeline

För att identifiera en viss sekvens på en DNA-sträng blandar forskarna först DNA:t med fluorescerande prober som fäster vid den sekvensen. Sedan, på ett mikrochip (ovan), drar ett elektriskt fält DNA genom en kanal som är 50 nanometer bred. En inbäddad optisk läsare upptäcker eventuella anslutna prober och identifierar sekvensen.

DNA-kontroll

I äktenskapet mellan nanoelektronik och biologi innebär den mest extrema synen att man fäster elektroniska prylar direkt på molekyler. För att visa hur detta kan fungera – och varför det kan vara användbart – fäste ett team vid MIT:s Media Lab, ledd av fysikern Joseph Jacobson och biomedicinska ingenjören Shuguang Zhang, guldpartiklar, var och en endast 1,4 nanometer i diameter, på en bit DNA. Varje guldpartikel fungerade som en liten antenn. Forskarna exponerade sedan DNA:t för radiofrekventa magnetfält, vilket fick partiklarna att värmas upp och det dubbelsträngade DNA:t bröts i två strängar. När de tog bort det magnetiska fältet kom strängarna samman omedelbart. Nu har vi ett väldigt kraftfullt och användbart verktyg som kan styra saker på molekylär nivå, säger Zhang. Än så länge finns det inga verktyg som kan göra detta. Att kunna kontrollera en enskild molekyl i en mängd molekyler är mycket värdefullt.

Det värdet, tillägger postdoc Kimberly Hamad-Schifferli, härrör till stor del från den potentiella förmågan att slå på och av gener. För att göra det kunde MIT-forskarna fästa fragment av DNA till guldpartiklar. När de läggs till ett prov av DNA, skulle fragmenten binda till komplementära gensekvenser, blockera aktiviteten hos dessa gener och effektivt stänga av dem. Att applicera ett magnetfält skulle sedan värma guldpartiklarna, vilket gör att deras vidhäftade DNA-fragment lossnar, vilket i praktiken slår på generna igen. Ett sådant verktyg skulle kunna ge läkemedelsforskare ett sätt att simulera effekterna av potentiella läkemedel, som också slår på och av gener. MIT licensierade nyligen tekniken till en bioteknisk startup, Waltham, MA-baserad engeneOS.

Även om fjärrkontroll av DNA kan låta mer som ett salongstrick än något din läkare kan använda, visar sådana experiment att nanoelektronik kan interagera med biologi på kraftfulla sätt. Material som nanotrådar och nanorör, omfattande forskning av fysiker och kemister under de senaste åren, är nu i händerna på biomedicinska ingenjörer som MIT:s Zhang - med enorma konsekvenser för allt från läkemedelsupptäckt till diagnos av sjukdomar som prostatacancer. Även om det är svårt att förutsäga vinnare bland dessa många tekniker, säger Berkeleys Alivisatos, för en, jag tror att alla dessa saker kommer att hitta konkurrenskraftiga nischer.

Snabb, billig mikroelektronik revolutionerade världen av datorer och informationsteknologi. Huruvida nanoelektronik kan revolutionera medicinen är fortfarande osäkert. Men klyftan mellan elektronik och biologi sluts snabbt, och biomedicinska forskare och till och med läkare kommer snart att ha verktyg för att undersöka livets grundläggande molekyler på sätt som verkade som fantasi för bara några år sedan.

Sensing framgång
Vissa företag inom nanobioteknik

Företag	Teknikkälla	Strategi
Agilent Technologies (Palo Alto, CA)	Harvard Universitet	Material med porer i nanostorlek för analys av DNA
engeneOS (Waltham, MA)	MED	Guldnanopartiklar för fjärrkontroll av biologiska molekyler
Molekylära nanosystem (Palo Alto, CA)	Stanford University	Kolnanorör för avkänning av biologiska molekyler
Nanofluidik (Ithaca, NY)	Cornell University	Chips med kanaler i nanoskala för analys av DNA
NanoInk (Chicago, IL)	Northwestern University	Dip-pen nanolitografi för design av biologiska molekyler och strukturer
Nanosfären (Northbrook, IL)	Northwestern University	Elektrod/guld nanopartikeldetektorer för avkänning av DNA och patogener
Nanosys (Palo Alto, CA)	Harvard Universitet	Nanotrådar för avkänning av biologiska molekyler
SurroMed (Mountain View, CA)	Pennsylvania State University	Nanostreckkoder för märkning av biologiska molekyler
U.S. Genomics (Woburn, MA)	U.S. Genomics	Nanokristallint gitter för analys av DNA

Dölj