Skottar vatten

Det nya mikrofluidchipet tillverkat av Fluidigm, en startup baserad i South San Francisco, representerar ett decennium av successiva uppfinningar. Denna lilla kvadrat av svampig polymer – samma typ som används i kontaktlinser och fönstertätning – rymmer ett komplext nätverk av mikroskopiska kanaler, pumpar och ventiler. Små volymer vätska från till exempel ett blodprov kan flöda genom labyrinten av kanaler för att separeras av ventilerna och pumpas in i nästan 10 000 små kammare. I varje kammare kan nanoliter (miljarddelar av en liter) av vätskan analyseras.

Lab på ett chip : Fluidigms mikrofluidchip (den grå fyrkanten i mitten) använder små kanaler och ventiler för att hantera vätskor. Det möjliggör snabba och känsliga bioanalyser

Förmågan att flytta vätskor runt ett chip i mikroskopisk skala är en av biokemins mest imponerande prestationer under de senaste 10 åren. Mikrofluidchip, som nu produceras av en handfull nystartade företag och ett liknande antal universitetsbaserade gjuterier, tillåter biologer och kemister att manipulera små mängder vätska på ett exakt och högst automatiserat sätt. De potentiella applikationerna är många, inklusive handhållna enheter för att upptäcka olika sjukdomar och maskiner som snabbt kan analysera innehållet i ett stort antal enskilda celler (var och en rymmer cirka en pikoliter vätska) för att identifiera till exempel sällsynta och dödliga cancermutationer. Men mikrofluidik representerar också ett grundläggande genombrott i hur forskare kan interagera med den biologiska världen. Livet är vatten som rinner genom rör, säger George Whitesides, kemist vid Harvard University som har uppfunnit mycket av den teknik som används inom mikrofluidik. Om vi ​​är intresserade av livet måste vi vara intresserade av vätskor i liten skala.

Den här historien var en del av vårt januarinummer 2010

• Se resten av frågan
• Prenumerera

För att förklara betydelsen av teknologin och komplexiteten hos dess mikroskopiska apparat, gör de som är involverade i mikrofluidik ofta jämförelser med mikroprocessorer och integrerade kretsar. Faktum är att ett mikrofluidchip och en elektronisk mikroprocessor har liknande arkitekturer, med ventiler som ersätter transistorer och kanaler som ersätter ledningar. Men att manipulera vätskor genom kanaler är mycket svårare än att dirigera elektroner runt en integrerad krets. Vätskor är, ja, röriga. De kan vara svåra att flytta runt, de består ofta av en komplex gryta av ingredienser, och de kan fastna och läcka.

Under det senaste decenniet har forskare övervunnit många sådana utmaningar. Men om mikrofluidik någonsin ska bli riktigt jämförbar med mikroelektronik, kommer den att behöva övervinna en mycket mer skrämmande utmaning: övergången från lovande laboratorieverktyg till allmänt använd kommersiell teknologi. Kan det omvandlas till produkter som forskare, medicinska tekniker och läkare kommer att vilja använda? Biologer är allt mer intresserade av att använda mikrofluidsystem, säger Whitesides. Men, tillägger han, går du in i labbet och hittar dessa enheter överallt? Svaret är nej. Det intressanta är att det inte riktigt har tagit fart. Frågan är varför inte?

Saker granskade

• Biomark 96.96 Dynamic Array

  Fluidigm

  
  
  

• Teknikens natur: vad det är och hur det utvecklas

  Av W. Brian Arthur
  Fri press, 2009

En liknande fråga skulle lika gärna kunna ställas om åtminstone två andra viktiga teknologier som har dykt upp under det senaste decenniet: genombaserad medicin och nanoteknik. Var och en började detta århundrade med betydande genombrott och mycket fanfar. Sekvenseringen av det mänskliga genomet tillkännagavs först i början av 2001; National Nanotechnology Initiative, som hjälpte till att lansera en stor del av dagens nanotekniska forskning, fick sin första federala finansiering år 2000. Medan alla tre teknologierna har producerat en hel del nya produkter, har ingen haft de transformativa effekter som många experter förväntat sig. Varför tar det så lång tid för en så uppenbart viktig och värdefull teknik som dessa att få genomslag? Hur skapar man populära produkter av radikalt ny teknik? Och hur lockar du potentiella användare?

Tålamod, tålamod
Trots teknologins ekonomiska, sociala och vetenskapliga betydelse är processen att skapa den dåligt förstådd. I synnerhet har forskare i stort sett förbisett frågan om hur teknologier utvecklas över tid. Det är utgångspunkten för W. Brian Arthurs The Nature of Technology, ett försök att utveckla en heltäckande teori om vad teknologi är och hur den utvecklas. Arthur började arbeta i biblioteksstackarna vid Stanford University. När jag började läsa blev jag förvånad över att några av nyckelfrågorna inte hade funderats särskilt djupt på, mindes han i en intervju nyligen. Även om mycket har skrivits om teknikens och ingenjörssociologin, och det finns mycket om olika teknologiers historia, sa han, fanns det stora luckor i litteraturen. Hur utvecklas teknologin egentligen? Hur definierar du teknik?

länk

En patentkarta skapad av IPVision, baserad i Cambridge, MA, visar många av de viktigaste uppfinningarna av Stephen Quake och Fluidigm under det senaste decenniet som möjliggör företagets mikrofluidchip. Tidslinjen visar flera viktiga initiala framsteg och hur dagens mikrofluidik använder både framsteg inom mikrotillverkning och biokemi. Ett sådant komplext nätverk av uppfinningar är inte ovanligt i utvecklingen av nya tekniker.
Kredit: IPVision

Arthur hoppas kunna göra för tekniken vad Thomas Kuhn gjorde för vetenskapen i sin 1962 The Structure of Scientific Revolutions, som beskrev hur vetenskapliga genombrott kommer till och hur de antas. En viktig del av Arthurs argument är att teknologin har sina egna egenskaper och natur, och att den för länge har behandlats som underordnad vetenskap eller helt enkelt som tillämpad vetenskap. Vetenskap och teknik är helt sammanvävda men olika, säger han: Vetenskap handlar om att förstå fenomen, medan teknik egentligen handlar om att utnyttja och använda fenomen. De bygger ur varandra.

Arthur, en före detta professor i ekonomi och befolkningsstudier vid Stanford som nu är extern professor vid Santa Fe Institute och gästforskare vid Palo Alto Research Center, är kanske mest känd för sitt arbete med komplexitetsteori och för sin analys av ökande avkastning, vilket hjälpte till att förklara hur ett företag kommer att dominera marknaden för en ny teknik. Huruvida han uppfyller sitt mål att formulera en rigorös teknikteori kan diskuteras. Boken ger dock en detaljerad beskrivning av egenskaperna hos teknologier, späckad med intressanta historiska godbitar. Och det ger ett sammanhang där man kan börja förstå de ofta mödosamma och utdragna processerna genom vilka teknologier utnyttjas kommersiellt.

Särskilt värdefulla är Arthurs insikter om hur olika teknikområden utvecklas annorlunda jämfört med enskilda teknologier. Domäner, som Arthur definierar dem, är grupper av teknologier som passar ihop eftersom de utnyttjar ett vanligt fenomen. Elektronik är en domän; dess enheter – kondensatorer, induktorer, transistorer – arbetar alla med elektroner och passar därför naturligt ihop. På samma sätt, inom fotonik, manipulerar lasrar, fiberoptiska kablar och optiska omkopplare ljus. Medan en enskild teknik – säg jetmotorn – är designad för ett visst syfte, är en domän en verktygslåda av användbara komponenter – en konstellation av teknologier – som kan tillämpas i många industrier. En teknik uppfinns, skriver Arthur. En domän växer fram bit för bit ur dess enskilda delar.

Skillnaden är kritisk, hävdar han, eftersom användare snabbt kan anta en individuell teknik för att ersätta befintliga enheter, medan nya domäner stöter på av potentiella användare som måste försöka förstå dem, ta reda på hur de ska använda dem, avgöra om de är värda besväret, och skapa applikationer för dem. Under tiden måste de som utvecklar de nya domänerna förbättra verktygen i verktygslådan och uppfinna de saknade delarna som behövs för nya applikationer. Allt detta tar normalt årtionden, säger Arthur. Det är en väldigt, väldigt långsam process.

Vad Arthur bara kort berör är att denna utveckling av en ny teknologi ofta matchas av en ännu mer välbekant utveckling: entusiasm över en ny teknik, investerare och användares besvikelse eftersom tekniken inte klarar av att leva upp till överdriften, och en långsam återuppstår när tekniken mognar och börjar möta marknadens behov.

En lösning som letar efter problem
I slutet av 1990-talet blev mikrofluidik (eller, som det ibland kallas, lab on a chip-teknologi) ytterligare ett överhypat framsteg i en era som var ökänd för dem. Förespråkarna talade om potentialen hos markerna. Men enheterna kunde inte utföra de komplexa vätskemanipulationer som krävs för många applikationer. De utsågs som en ersättning för allt. Det gick uppenbarligen inte så bra, säger Michael Hunkapiller, en riskkapitalist på Alloy Ventures i Palo Alto, CA, som nu investerar i flera mikrofluidikstartuper, inklusive Fluidigm. Teknikens kapacitet på 1990-talet, säger han, var mycket mindre universell än hypen.

Problemet, som Arthur kanske uttryckte det, var att verktygslådan saknade nyckeldelar. Framträdande bland de nödvändiga komponenterna var ventiler, som skulle göra det möjligt att slå på och stänga av vätskeflödet på specifika ställen på chipet. Utan ventiler har du bara en slang; med ventiler kan du bygga pumpar och börja tänka på sätt att konstruera VVS. Problemet löstes i labbet av Stephen Quake, då professor i tillämpad fysik vid Caltech och nu på bioteknikavdelningen i Stanford. Quake och hans Caltech-kollegor hittade ett enkelt sätt att tillverka ventiler i mikrofluidkanaler på en polymerplatta. Inom två år efter att ha publicerat en artikel om ventilerna hade gruppen lärt sig hur man skapar ett mikrofluidchip med tusentals ventiler och hundratals reaktionskammare. Det var det första chipet som var värt att jämföras med en integrerad krets. Tekniken licensierades till Fluidigm, som Quake var med och grundade 1999.

Samtidigt uppfann andra akademiska laboratorier andra allt mer komplexa sätt att manipulera vätskor i mikrofluidiska enheter. Resultatet är en ny generation företag utrustade med mycket mer kapabel teknologi. Ändå är många potentiella användare fortfarande skeptiska. Återigen befinner sig mikrofluidik i en välbekant fas av teknikutvecklingen. Som David Weitz, fysikprofessor vid Harvard och medgrundare av flera mikrofluidikföretag, förklarar: Det är en underbar lösning som fortfarande letar efter de bästa problemen.

Det finns gott om möjligheter. Biomedicinska forskare har börjat använda mikrofluidik för att titta på hur enskilda celler uttrycker gener. I ett experiment använder cancerforskare ett av Fluidigms chips för att analysera prostatatumörceller och letar efter mönster som skulle hjälpa dem att välja de läkemedel som mest effektivt kommer att bekämpa tumören. Dessutom har Fluidigm nyligen introducerat ett chip designat för att odla stamceller i en exakt kontrollerad mikromiljö. För närvarande, när stamceller odlas i labbet, kan det vara svårt att efterlikna de kemiska förhållandena i ett levande djur. Men små grupper av stamceller kan delas upp i delar av ett mikrofluidiskt chip och badas i kombinationer av biokemikalier, vilket gör det möjligt för forskare att optimera sina odlingsförhållanden.

Och mikrofluidik kan möjliggöra billiga och bärbara diagnostiska enheter för användning på läkarmottagningar eller till och med avlägsna kliniker. I teorin kan ett prov av, säg, blod tappas på ett mikrofluidiskt chip, som skulle utföra den nödvändiga bioanalysen - identifiera ett virus, upptäcka kontrollanta cancerproteiner eller hitta biokemiska tecken på en hjärtinfarkt. Men inom medicinsk diagnostik som inom biomedicinsk forskning har mikrofluidik ännu inte blivit allmänt antagen.

Återigen ger Arthurs analys en förklaring. Användare som möter de nya verktygen måste avgöra om de är värda besväret. När det gäller många diagnostiska tillämpningar måste biologer bättre förstå vilka biokemikalier som ska upptäckas för att kunna utveckla tester. Samtidigt måste de som utvecklar mikrofluidiska enheter göra enheterna lättare att använda. Som Arthur påminner oss måste vetenskap och teknik bygga på varandra, och teknologer måste uppfinna de saknade bitarna som användarna vill ha; det är en långsam, mödosam utveckling.

Det är ofta svårt att förutse vilka de saknade bitarna kommer att vara. Hunkapiller minns kommersialiseringshistorien för den automatiserade DNA-sekvenseraren, en maskin som han och hans kollegor uppfann på Caltech och som kommersialiserades 1986 på Applied Biosystems. (Maskinen hjälpte till att möjliggöra Human Genome Project.) Ibland är det något konstigt som får en teknologi att ta fart, säger han. Automatiserad sekvensering blev inte populär förrän runt 1991 eller 1992, säger han, när företaget introducerade ett provförberedande kit. Även om det inte var ett särskilt imponerande tekniskt framsteg - absolut inte på nivån för den automatiska sequencern själv - hade kitet en enorm inverkan eftersom det gjorde det lättare att använda maskinerna och ledde till mer tillförlitliga resultat. Plötsligt, minns han, ökade försäljningen: Det var ingen stor sak att betala $100 000 för en maskin längre.

I en nyligen genomförd intervju visade Whitesides ett mikrofluidiskt chip gjord av papper där vätskor leds igenom kanaler till små kammare där testreaktioner utförs. Sedan drog han upp en ny smart telefon, fortfarande i plastfolien, ur kartongen. Tänk om du, funderade han, på något sätt kunde använda telefonens kamera för att fånga mikrochippens data och använda dess beräkningskraft för att bearbeta resultaten, istället för att förlita dig på skrymmande dedikerade läsare? En enkel avläsning på telefonen skulle kunna ge användaren den information han eller hon behöver. Men innan det händer, erkände han, kommer olika andra framsteg att behövas. Som om de påmindes om det svåra jobbet som väntade, la Whitesides snabbt tillbaka smarttelefonen i lådan.

David Rotman är redaktör för Teknikgranskning .

Dölj