Quantum Dot Com

Med företagets namn och logotyp tejpade på glasdörren, de uppackade kartongerna, en tom reception och unga forskare som myser omkring, kan det vara vilket Silicon Valley-företag som helst i kaoset av att starta upp. Men detta, visar det sig snabbt, är inte en vanlig startup. Du börjar märka skillnaden några dörrar förbi kaffebryggaren. Precis nere i korridoren, i ett fönsterlöst rum upplyst av den svaga glöden från en grön laser som skjuter genom en labyrint av optisk utrustning, hittar du företagets kronjuveler, små partiklar som avger en mängd olika färger. Dessa är kvantprickkristaller som bara består av några hundra atomer. Sett genom ett vanligt optiskt mikroskop blinkar de som stjärnor på en månlös himmel.

Quantum Dot Corporation – och dess handfull högprofilerade riskkapitalinvesterare – slår vad om att dessa glödande prickar kommer att förändra hur biologer ser på den cellulära världen. Partiklarna mäter bara några nanometer (miljarddelar av en meter) i diameter. Eftersom detta är ungefär lika stort som en proteinmolekyl eller en kort DNA-sekvens, kan kvantprickar vara nästan perfekta signaler för att lysa upp biologiska händelser. De finns i en nästan obegränsad palett av färger och kan kopplas till biomolekyler för att bilda känsliga sonder för att identifiera specifika föreningar och spåra biologiska händelser.

Den här historien var en del av vårt januarinummer 2000

• Se resten av frågan
• Prenumerera

Fluorescerande taggar är allestädes närvarande inom medicin och biologi och används i allt från HIV-tester till avbildning av cellers inre funktioner. Men de färgämnen som biologer nu förlitar sig på har allvarliga nackdelar. Dels måste olika typer av färgämnesmolekyler användas för varje färg, och en matchande laser måste användas för att få ett färgämne att fluorescera: en grön laser för en grön färg, gul för en gul färg, och så vidare. Färgerna som avges av färgämnena tenderar att blöda tillsammans, och det är svårt att använda en kombination av lasrar. Dessa begränsningar gör att man i praktiken inte kan leta efter mer än ett fåtal typer av biomolekyler åt gången. Vad mer, färgämnen bleknar snabbt, så bildbehandling är en engångsaffär.

Kvantprickar har inga av dessa brister. Du kan göra skarpt färgade prickar helt enkelt genom att variera storleken på nanopartiklarna och få en regnbåge av dessa färger att fluorescera med vitt ljus eller en enfärgad laser. Dessutom fortsätter nanopartiklarna att lysa mycket längre än vad färgämnen gör. Dessa förbättringar gör att du kan tagga olika biologiska komponenter samtidigt - säg olika proteiner eller olika sekvenser av DNA - med specifika färgade nanodots.

Den typen av flexibilitet kan innebära ett billigt och enkelt sätt att screena ett blodprov för förekomsten av ett antal olika virus samtidigt. Det kan också ge läkare en snabb bild av en patients tillstånd. Till exempel är närvaron av en viss uppsättning proteiner en stark indikator på att en person har en hjärtattack; quantum dots kan erbjuda ett snabbt och enkelt test för att upptäcka dessa proteiner. På forskningsfronten kan förmågan att samtidigt tagga flera biomolekyler vara ett kraftfullt sätt att se de komplexa cellförändringar och händelser som är förknippade med sjukdomar, vilket ger ledtrådar för läkemedelsupptäckt.

Punkt av isberget

Utmaningen ligger naturligtvis i att omvandla denna råa vetenskapliga potential till en livskraftig verksamhet. Det är där Palo Alto, Kalifornien-baserade Quantum Dot kommer in. Precis som alla andra nystartade teknikföretag måste det attrahera finansiellt stöd genom att imponera på investerare och utarbeta en hållbar affärsplan - såväl som att avvärja ny konkurrens genom att bygga upp en stark teknologiportfölj (se sidofältet: Quantum Competition). Men för Quantum Dot går utmaningarna utöver de för en typisk startup. Det vill inte bara lyckas kommersiellt, det vill göra det genom att gå dit få företag har gått förut: att använda nanoteknik (manipulera och bygga material på nanometerskala) som ett verktyg inom medicin och biologi.

Även inom grundforskning, än mindre i den kommersiella världen, är gränssnittet mellan nanoteknik och biologi i stort sett okänt territorium. Kvantprickar har fascinerat fysikaliska forskare som letat efter nya typer av elektroniska och optiska enheter i mer än ett decennium, men få biologiska forskare gav dem en andra tanke. För att lyckas måste startupföretaget sammanföra biotech och nanotech. Utöver svårigheten har de flesta riskkapitalister – vars stöd i dessa dagar är avgörande för nästan alla nystartade företag – visat en motvilja mot allt så esoteriskt låter som nanoteknik. De kan skynda sig att finansiera dot-com startups, men sätt ordet quantum framför ordet dot och ögonen börjar bli glaserade.

De som bildar Quantum Dot satsar dock på att potentialen i denna banbrytande teknologi i slutändan kommer att få de glaserade ögonen att snäppa i fokus. Företaget är medgrundat av ett par fulländade Silicon Valley-insiders, Joel Martin och Bala Manian, som tillsammans har hjälpt till att lansera ett halvdussin teknikföretag inom medicinsk utrustning och instrumentering. Inom Quantum Dots första åtta månader av existens hade entreprenörsparet samlat in 7,5 miljoner dollar i riskfinansiering. VD och VD Martin säger att det är en fråga om timing att få investerare att bli upphetsade: Att fånga en teknik precis som en explosion av vetenskapliga framsteg tar den till kanten av kommersiell praktisk. Man måste ha något som kommer att finnas på marknaden de närmaste åren, säger Martin. Det kan inte vara så långt ut att det är på blödningskanten. Samtidigt, tillägger han, är det viktigt att tekniken fångar människors fantasi.

I glöden

Men 1997, när Martin började handla efter ny teknik, hade flera grupper av forskare börjat göra kvantprickar ljusare och mer praktiska. Med dessa förbättringar blev potentialen för att använda dem i biologisk avbildning och diagnostik alltmer uppenbar. Det började se ut som om det skulle vara möjligt att förvandla nanopartiklar till känsliga sonder som skulle finslipa specifika biologiska mål, hela tiden glödande i distinkta färger som sa: Här är det! - med att det är ett virus, ett protein av stort intresse, kanske något specifikt DNA.

Rörelsen mot biologiska tillämpningar var en lång process, utan något enskilt genombrott ledde vägen. Men en viktig insikt, säger Paul Alivisatos, en kemist vid University of California, Berkeley, som bidragit med ett antal viktiga framsteg, är att kvantprickar är makromolekyler, storleken på proteiner. När du väl inser att storleksskalorna är kompatibla säger du: Okej, de här sakerna kan gå ihop. Tillägger Moungi Bawendi, en MIT-kemist som har arbetat med partiklarna i mer än ett decennium: Biologi är inte vad vi först tänkte på. Men i någon mening är det en mycket bättre applikation - det är naturligt.

Det var faktiskt så naturligt att Alivisatos och samarbetspartnern Shimon Weiss, fysiker vid Lawrence Berkeley Laboratory, och doktorand Marcel Bruchez, började diskutera affärsmöjligheter i mitten av 1990-talet. Vi snubblade runt och försökte bilda ett företag för att utnyttja kvantprickarnas biologiska potential, säger Alivisatos. Sedan, 1997, fick de ett telefonsamtal från Joel Martin, som vandrade runt i Silicon Valley och letade efter det nya. På en nanosekund bjöd Alivisatos in riskkapitalisten och hans check på miljoner dollar till Berkeley-labbet för ett besök.

Potentialen hos kvantprickar bekräftades i slutet av 1998 genom publiceringen av två banbrytande artiklar i tidskriften Science som visar att nanopartiklarna kunde göras kompatibla med levande system och användas som biosonder. En artikel var av Alivisatos och hans Berkeley-kollegor, den andra av Indiana University-kemist Shuming Nie. Båda grupperna av forskare hade lärt sig hur man löser nanopartiklarna i vatten och belägger de små kristallerna med ett yttre skikt till vilket de lätt kunde binda biomolekyler som kan känna igen proteiner eller DNA. Forskningen bekräftade potentialen hos kvantpricksonder för känsliga diagnostiska tester, till och med genetisk analys.

Som en del av forskningen demonstrerade forskarteamen sätt att upptäcka proteiner inuti och på ytan av en cell, vilket tyder på en lockande möjlighet - det kan vara möjligt att fästa en enda glödande nanodot till, säg, ett protein, som ett sätt att titta på cellulära händelser. Sådana observationer skulle kunna ge en mycket större förståelse för hur celler fungerar - och vad som kan gå fel - och ge värdefulla ledtrådar i utvecklingen av framtida läkemedel och terapier.

En månad efter Science papers startades Quantum Dot. Martin och Manian tecknade ledande nanodotforskare till företagets vetenskapliga rådgivande styrelse och gav dem en ekonomisk andel i outfitens framgång. Det innebar att man skapade partners från långvariga rivaler Alivisatos, Bawendi, Nie och Paul Mulvaney, en kemiprofessor vid University of Melbourne. För gott skull anställde startupen Bruchez och Stephen Empedocles, nyblivna doktorer från Alivisatos och Bawendis kemilabb, som personalforskare. Företaget licensierade nyckelteknologier från universiteten, och samlade en immateriell egendomsportfölj som täcker användningen av kvantprickar inom biologi.

Martin säger att även om det vetenskapliga värdet av tekniken klickade första gången han såg den, var vägen till kommersialisering inte lika självklar. Uppenbarligen ville startupen inte konkurrera direkt med diagnostik- och analytiska instrumentjättar som Roche och Perkin-Elmer, och lika tydligt ville den inte bara leverera kvantprickar som råvaror. Svaret, säger Martin, var en affärsmodell som imiterade Intel. Chiptillverkaren strävar efter att placera sina mikroprocessorer i allas datorer; Quantum Dot skulle försöka göra sina nanopartiklar till en viktig del av diagnostiksatser och analysinstrument. Strategin var att göra de stora tillverkarna till kunder, inte konkurrenter.

Quantum Dots affärsplan kräver att företaget börjar skicka testkvantiteter av prickar till potentiella kunder i vinter för att de ska kunna bedöma värdet av nanopartiklarna i diagnostiska tester och läkemedelsupptäckt. Affärer med instrumentmakare kommer senare, säger Martin. Han uppskattar att startupen har tillräckligt med pengar för att överleva ytterligare ett år men säger att de planerar att samla in mer pengar i vår.

Företaget förväntar sig att ha en kommersiell produkt i mitten av året, och Martin säger att de första ansökningarna sannolikt kommer att komma inom läkemedelsforskningen. Men på längre sikt sticker en mördarapp ut. Quantum Dot arbetar med biologiska streckkoder-polymerpärlor packade med en känd kombination av tusentals eller till och med miljontals kvantprickar. Var och en av dessa pärlor skulle ha en känd färgsignatur - en spektral streckkod. Istället för att använda en kvantprick för att märka en biomolekyl genom att binda till den, siktar forskarna på att bygga analyser för genetisk analys på ytan av pärlorna. Labs på ett chip är en av de hetaste nya metoderna för genetisk analys, och Quantum Dot hoppas att dess labb på en pärla kan vara ett enklare sätt att känna igen gensekvenser. Forskarna fäster en viss sekvens av DNA till ytan av varje typ av pärla. Eftersom du enkelt kan bilda tusentals, till och med miljoner, pärlor var och en med en distinkt DNA-sond (och lätt identifiera varje sond med streckkoden), kan tekniken ge ett snabbt sätt att samtidigt identifiera ett stort antal gensekvenser i t.ex. ett blodprov, vilket ger ett värdefullt diagnostiskt och forskningsverktyg.

När Cool inte räcker

Trots deras tidiga framgång med att samla in pengar är Quantum Dots grundare medvetna om att företaget går in i en do-or-die-period. Utan en storsäljande produkt inom den närmaste framtiden är företaget i ett sårbart stadium som är gemensamt för många startups. Varje tillfälle har ett tidsfönster. Det finns alltid konkurrerande teknologier, säger medgrundaren Manian. Vi kanske lyckas om tre år, men om någon har kommit på ett alternativ om två år så har tåget redan lämnat stationen. Manian säger att företaget har milstolpar. När man tittar på de barriärer man möter gör man subjektiva samtal: Kommer det att lösas på en vecka eller tar det två år? Om det tar två år behöver du genast leta efter alternativ eller ett skyddsnät. Coolness-faktorn, varnar han, kommer att försvinna mycket snabbt om du inte kan stödja den med ekonomiska fördelar. Det måste resultera i verkliga tillämpningar.

Denna känsla av brådska i att utveckla användningsområden för nanopartiklarna har dragit några av de bästa och smartaste unga kvantprickforskarna till företaget. I Quantum Dots optiklabb är 30-årige Stephen Empedocles helt klart ansvarig. Detta är företagets skyltfönster, där potentiella investerare kommer att bli imponerade. Men Empedocles står självsäkert bredvid och bjuder in en besökare att ta en titt genom mikroskopet på de enskilda partiklarna, inte mycket större än några atomer, som lyser starkt. Det är en glimt av nanovärlden som säkerligen kommer att fånga en investerares fancy - och kanske checkhäfte.

Men den experimentella apparaten som korsar labbbordet som en labyrint förråder det faktum att detta fortfarande är spjutspetsvetenskap. Empedocles anslöt sig till Quantum Dot direkt efter examen från MIT förra våren med en doktorsexamen i kemi. Redan en erkänd expert på utvecklingen av analytiska tekniker för att upptäcka enstaka kvantprickar, kunde Empedocles ha tagit ett jobb på en stor forskningsorganisation eller valt valfritt antal akademiska positioner. Men han drogs till utmaningarna och möjligheterna med att ta den grundläggande vetenskapen om kvantprickar och använda tekniken för att påverka den verkliga världen.

Till och med på MIT, säger Empedocles, kunde folk inte ta reda på varför [han skulle gå med i ett riskabelt, nytt företag.] Ingen annan jag kände gick till en startup. Anledningen är att den entreprenöriella kultur som har slagit rot i data- och bioteknikforskningen fortfarande är embryonal inom de fysiska vetenskaperna. Men om Quantum Dot lyckas i sin strävan att gifta sig med nanoteknik och bioteknik, kan Empedocles upptäcka att hans kollegor vid MIT får en ny förståelse för hans karriärsprång.

Dölj