Лаборатория в микросхеме

155

Биочипы умеют распознавать болезни еще до появления каких-либо клинических признаков. Они предупреждают не только об эпидемиях и биологических ядах, но даже о несвежем мясе.

Распознавание молекул Распознавание молекул Ловушки в микросхеме Ловушки в микросхеме Тест ДНК Тест ДНк В будущем путешественникам при пересечении границы придется сдавать кровь на анализ.

Одной капли будет достаточно, чтобы мгновенно получить информацию о наличии в организме определенных вирусов. Для этого пробу нанесут на пластиковую карту.

Через тончайшие капиллярные каналы кровь проникнет внутрь, где в мельчайших ячейках проходят биохимические процессы. На чип-карте размером с обыкновенную кредитку поместится целая биолаборатория.

Разработки, которые объединяют биологию с полупроводниковой техникой, считаются одним из самых многообещающих направлений развития медицинской диагностики. Микросхема в мгновение ока определяет болезни или производит генетические тесты. Ее сильные стороны могут особенно ярко проявиться, например, при локализации эпидемий.

Такие инфекции, как надвигающийся птичий грипп, особенно трудно остановить, потому что распознавание возбудителей требует больших затрат труда и времени.

Чтобы идентифицировать определенные типы вирусов, биочип можно запрограммировать.

Распознавание возбудителей болезни происходит благодаря электрическим сигналам сенсоров на кремниевом чипе, а «программирование» производится на биохимической основе.

Любая молекула, имеющая в природе «партнера», с помощью которого ее можно распознать, обнаруживается с помощью биочипа. Если биочип оснащен подходящими антителами, то по так называемому «принципу замка и ключа» можно точно находить в пробах определенные вирусы. В генетическую лабораторию чип превращается тогда, когда содержит ловушки — фрагменты молекул ДНК. С их помощью можно распознавать даже бактерии. В будущем биочипы будут играть важную роль не только в медицинской технике, но и других областях: при анализе продуктов питания или обнаружении ядов и боевых отравляющих веществ.

Кремний в биологии и химии

Ученые из Фраунгоферовского института кремниевых технологий (ISIT) в Итценхое (Германия) в сотрудничестве с разработчиками из компаний Infineon и Siemens работают в сфере промышленного применения биочипов. В этом направлении исследований немецкие ученые занимают ведущие позиции, они применяют промышленную технологию для того, чтобы скомбинировать обычный электронный чип с химическим и биохимическим анализом. Исследовательская группа, которая работает с биочипами, основана в 1983 году и разрабатывает различные микросистемы. Большой объем в исследованиях занимает создание сенсоров для автомобилестроения, например, сложных датчиков числа оборотов, вакуумный корпус которых должен оставаться герметичным в течение 15 лет. С помощью подобных промышленных проектов институт самостоятельно финансирует три четверти собственных исследований. Обладая производственной площадью 2500 м2, ISIT разрабатывает и производит более 200000 чипов в год.

Осмотр лабораторий убеждает, что здесь работают не только с такими полупроводниковыми материалами, как кремний. Рядом с освещенными желтым светом участками, где производится травление кремниевых пластин, обрабатываются другие материалы, необходимые для производства биочипов: золото, медь, сера, кислоты и биохимические вещества.

Чтобы создать связь с биологическими веществами, кремниевые чипы снабжают сверхтонкими золотыми электродами, к которым и прикрепляются молекулы-ловушки. При этом разработчики делают ставку на уже существующие технологии. В качестве электродов, например, они используют золотые контакты обычных смарт-карт. Между золотом и биомолекулами находится еще один слой, который разработчики на своих презентациях туманно называют «связывающей химией». В нем скрыто множество ноу-хау, которые делают технологию уникальной.

Опасные вирусы под замком

Благодаря серным мостикам на золотых электродах становится возможным закрепить на чипе антитела в виде молекул-ловушек. В ISIT для этого разработали «строительные леса» из нескольких серных групп, с помощью которых можно зафиксировать любые молекулы-ловушки. Причем это удается осуществить с любыми биомолекулами без исключений. Главная проблема в другом — институту с большим трудом удается добывать пробы опасных вирусов или биологических боевых отравляющих веществ. Американские хранилища ядов остаются наглухо закрытыми, однако во многих случаях в разработке антител помогает берлинский Институт Роберта Коха.

Области чипа, на которых «сидят» молекулы-ловушки, выглядят как маленькие горшочки. Под микроскопом в этих горшочках видна тончайшая решетка из золотых электродов. Для параллельного поиска различных компонентов биочипы оснащаются несколькими такими ячейками. Небольшие экземпляры имеют от 10 до 20 ячеек и могут, например, одновременно искать несколько разных вирусов. Специальное устройство, напоминающее головку струйного принтера, наносит молекулы-ловушки на отдельные ячейки. Для генетических тестов применяются чипы большего размера, имеющие до 1000 горшочков.

Исследуемая жидкость попадает в каждую ячейку чипа. Если от одной из них поступает электрический сигнал, это говорит о том, что здесь «пристыковалась» соответствующая молекула.

Решающей для создания компактной и дешевой конструкции стала электрическая индикация.

Благодаря ей ученые смогли отказаться от источников света, линз и фильтров, используемых при обычном оптическом обнаружении, когда молекулы маркируются флюоресцирующими красками. В отличие от оптических технологий биологические процессы распознавания происходят прямо на чипе. Это снижает затраты на каждый тест примерно на 10%. Большие партии дешевых электрических биочипов можно получать методом промышленного производства полупроводников.

Для врачей и клиник

К тому времени, когда потенциал технологии биочипов распознали и оценили в полной мере, компания Infineon уже дала сигнал к отступлению. Еще в 2004 году она прекратила работу с данным проектом. Но свято место пусто не бывает, поэтому немного позже работу, которую вел Infineon, продолжил концерн Siemens. Его подразделение Siemens Medical Solutions намеревается довести технику молекулярной диагностической системы Quicklab до рыночных кондиций. По заявлению одного из членов правления Siemens, концерн убежден в большом рыночном потенциале биочипов, а проект может быть осуществлен в кратчайшие сроки.

Компания рассчитывает, что «лабораториям на чипе» обеспечен огромный спрос. На молекулярной диагностике в год зарабатывается добрый миллиард евро. По принципу «кровь — внутрь, информация — наружу» анализы с помощью биочипа делаются в клиниках и у практикующих врачей гораздо быстрее и надежнее, чем прежде.

Сегодня, чтобы получить в большой специализированной лаборатории результаты проб на атипичную пневмонию (SARS) или коровье бешенство (BSE), требуется одна-две недели. Электронный биочип справляется с этим всего за час — и должен стать еще быстрее.

Руководство проекта Quicklab компании Siemens рассчитывает, что разрешение на использование биочипов в медицине человека может быть получено в 2008 или 2009 году. После этого начнутся клинические испытания, и в конце концов на основе прототипов будет организовано серийное производство. Однако анализов крови в аэропорту при въезде в страну придется ждать еще несколько лет.

По мнению Siemens, раннее распознавание заболеваний — это важный рынок будущего. Поэтому основная задача состоит в ранней диагностике раковых и инфекционных заболеваний. Кроме того, биочип годится и для локализации эпидемий.

Тем временем мини-лаборатория становится все компактнее. На сегодня она состоит из уже упомянутого ранее одноразового детектора размером с кредитную карту, на котором находятся каналы и ячейки, и читающего устройства, регистрирующего данные. Это читающее устройство разработчики хотят со временем уменьшить до размеров КПК, а в будущем и вовсе отказаться от него. Высокоинтегрированный чип сможет производить оценку прямо на карте, а органические светодиоды почти мгновенно покажут результат.

Поиск генов и биологического оружия

В отношении дальнейших планов пути разработчиков биочипов расходятся. Компания Siemens концентрирует усилия на их медицинском применении, которое требует большого числа измерительных ячеек с генетическим материалом. А Фраунгоферовский институт, напротив, исследует прежде всего так называемые чипы низкой плотности с числом ячеек от 10 до 20. Они предназначены не для массового рынка, а специальных областей, в которых работают небольшие и средние фирмы. Здесь преграды для внедрения новых продуктов не так высоки, как в медицине.

Даже при весе в два килограмма первые приборы, применяемые на практике, достаточно мобильны, чтобы, например, прямо в автоцистерне контролировать остаток антибиотиков в молоке. С помощью таких минилабораторий на биочипах пробы воды проверяются на наличие кишечной палочки. А контролеры продуктов питания распознают несвежее мясо прямо в супермаркете.

Есть и другая область использования биочипов. В настоящее время важную роль играют яды и токсины. Здесь тоже нужны не большие, а маленькие устройства, которые точно выявляют определенные вещества. Военные, пожарная охрана и служба спасения испытывают приборы, которые могут распознавать такие вещества, как возбудитель сибирской язвы, и поэтому незаменимы для защиты от террористических атак с применением биологического оружия.

В любом случае, новой технологии необходимо время, чтобы достичь целевых рынков, но в любом случае «лаборатория в микросхеме» через некоторое время станет в странах Запада таким же обычным явлением, как и электронная проверка документов.

ПОДЕЛИТЬСЯ


Предыдущая статьяТрехмерная печать
Следующая статьяБезопасный поход по Сети
КОММЕНТАРИИ



Загрузка...