Måke vann

Den nye mikrofluidbrikken produsert av Fluidigm, en oppstart basert i South San Francisco, representerer et tiår med påfølgende oppfinnelser. Denne lille firkanten av svampete polymer – samme type som brukes i kontaktlinser og vindusfukting – har et komplekst nettverk av mikroskopiske kanaler, pumper og ventiler. Små volumer av væske fra for eksempel en blodprøve kan strømme gjennom labyrinten av kanaler for å bli adskilt av ventilene og pumpes inn i nesten 10 000 små kammer. I hvert kammer kan nanoliter (milliarddeler av en liter) av væsken analyseres.

Lab på en chip : Fluidigms mikrofluidbrikke (den grå firkanten i midten) bruker små kanaler og ventiler for å manipulere væsker. Den tillater raske og sensitive bioassays

Evnen til å flytte væsker rundt en brikke i mikroskopisk skala er en av de mest imponerende prestasjonene innen biokjemi de siste 10 årene. Mikrofluidbrikker, som nå produseres av en håndfull oppstartsbedrifter og et tilsvarende antall universitetsbaserte støperier, lar biologer og kjemikere manipulere små mengder væske på en presis og svært automatisert måte. De potensielle bruksområdene er mange, inkludert håndholdte enheter for å oppdage ulike sykdommer og maskiner som raskt kan analysere innholdet i et stort antall individuelle celler (hver holder omtrent en pikoliter væske) for å identifisere for eksempel sjeldne og dødelige kreftmutasjoner. Men mikrofluidikk representerer også et grunnleggende gjennombrudd i hvordan forskere kan samhandle med den biologiske verden. Livet er vann som strømmer gjennom rør, sier George Whitesides, en kjemiker ved Harvard University som har oppfunnet mye av teknologien som brukes i mikrofluidikk. Hvis vi er interessert i livet, må vi være interessert i væsker i små skalaer.

Denne historien var en del av vårt januarnummer 2010

• Se resten av saken
• Abonnere

For å forklare viktigheten av teknologien og kompleksiteten til dets mikroskopiske apparat, sammenligner de som er involvert i mikrofluidikk ofte med mikroprosessorer og integrerte kretser. Faktisk har en mikrofluidisk brikke og en elektronisk mikroprosessor lignende arkitekturer, med ventiler som erstatter transistorer og kanaler som erstatter ledninger. Men å manipulere væsker gjennom kanaler er langt vanskeligere enn å dirigere elektroner rundt en integrert krets. Væsker er, vel, rotete. De kan være vanskelige å flytte rundt på, de består ofte av en kompleks gryterett med ingredienser, og de kan feste seg og lekke.

I løpet av det siste tiåret har forskere overvunnet mange slike utfordringer. Men hvis mikrofluidikk noen gang skal bli virkelig sammenlignbar med mikroelektronikk, må den overvinne en langt mer skremmende utfordring: overgangen fra lovende laboratorieverktøy til mye brukt kommersiell teknologi. Kan det gjøres om til produkter som forskere, medisinske teknikere og leger vil ønske å bruke? Biologer er stadig mer interessert i å bruke mikrofluidiske systemer, sier Whitesides. Men, legger han til, går du inn i laboratoriet og finner disse enhetene overalt? Svaret er nei. Det som er interessant er at det ikke har tatt helt av. Spørsmålet er hvorfor ikke?

Ting gjennomgått

• Biomark 96.96 Dynamic Array

  Fluidigm

  
  
  

• Teknologiens natur: Hva det er og hvordan det utvikler seg

  Av W. Brian Arthur
  Fri presse, 2009

Et lignende spørsmål kan like gjerne stilles om minst to andre viktige teknologier som har dukket opp det siste tiåret: genombasert medisin og nanoteknologi. Hver begynte dette århundret med betydelige gjennombrudd og mye fanfare. Sekvenseringen av det menneskelige genomet ble først annonsert tidlig i 2001; National Nanotechnology Initiative, som bidro til å lansere mye av dagens nanoteknologiske forskning, fikk sin første føderale finansiering i 2000. Mens alle tre teknologiene har produsert en snert av nye produkter, har ingen hatt de transformative effektene mange eksperter forventet. Hvorfor tar det så lang tid før en teknologi som er så åpenbart viktig og verdifull som disse har en effekt? Hvordan lager du populære produkter ut fra radikalt nye teknologier? Og hvordan tiltrekker du potensielle brukere?

Tålmodighet, tålmodighet
Til tross for den økonomiske, sosiale og vitenskapelige betydningen av teknologi, er prosessen med å lage den dårlig forstått. Særlig har forskere i stor grad oversett spørsmålet om hvordan teknologier utvikler seg over tid. Det er utgangspunktet for W. Brian Arthurs The Nature of Technology, et forsøk på å utvikle en omfattende teori om hva teknologi er og hvordan den utvikler seg. Arthur begynte å jobbe i bibliotekstablene ved Stanford University. Da jeg begynte å lese, ble jeg forbløffet over at noen av nøkkelspørsmålene ikke var blitt veldig grundig gjennomtenkt, husket han i et nylig intervju. Mens mye har blitt skrevet om sosiologien til teknologi og ingeniørfag, og det er mye om historien til ulike teknologier, sa han, var det store hull i litteraturen. Hvordan utvikler teknologien seg egentlig? Hvordan definerer du teknologi?

link

Et patentkart laget av IPVision, basert i Cambridge, MA, viser mange av nøkkeloppfinnelsene av Stephen Quake og Fluidigm i løpet av det siste tiåret som muliggjør selskapets mikrofluidiske brikker. Tidslinjen viser flere viktige første fremskritt og hvordan dagens mikrofluidikk bruker både fremskritt innen mikrofabrikasjon og biokjemi. Et så komplekst nettverk av oppfinnelser er ikke uvanlig i utviklingen av nye teknologier.
Kreditt: IPVision

Arthur håper å gjøre for teknologien det Thomas Kuhn berømt gjorde for vitenskapen i sin The Structure of Scientific Revolutions fra 1962, som beskrev hvordan vitenskapelige gjennombrudd oppstår og hvordan de blir tatt i bruk. En sentral del av Arthurs argumentasjon er at teknologi har sine egne egenskaper og natur, og at den for lenge har blitt behandlet som underordnet vitenskapen eller rett og slett som anvendt vitenskap. Vitenskap og teknologi er helt sammenvevd, men forskjellige, sier han: Vitenskap handler om å forstå fenomener, mens teknologi egentlig handler om å utnytte og bruke fenomener. De bygger ut av hverandre.

Arthur, en tidligere professor i økonomi og befolkningsstudier ved Stanford som nå er ekstern professor ved Santa Fe Institute og gjesteforsker ved Palo Alto Research Center, er kanskje mest kjent for sitt arbeid med kompleksitetsteori og for sin analyse av økende avkastning, som bidro til å forklare hvordan ett selskap kommer til å dominere markedet for en ny teknologi. Hvorvidt han oppfyller målet om å formulere en streng teknologiteori kan diskuteres. Boken gir imidlertid en detaljert beskrivelse av egenskapene til teknologier, spekket med interessante historiske ting. Og det gir en kontekst der man kan begynne å forstå de ofte arbeidskrevende og langvarige prosessene der teknologier utnyttes kommersielt.

Spesielt verdifull er Arthurs innsikt i hvordan ulike teknologidomener utvikler seg forskjellig sammenlignet med individuelle teknologier. Domener, som Arthur definerer dem, er grupper av teknologier som passer sammen fordi de utnytter et vanlig fenomen. Elektronikk er et domene; enhetene deres – kondensatorer, induktorer, transistorer – jobber alle med elektroner og passer dermed naturlig sammen. På samme måte, i fotonikk, manipulerer lasere, fiberoptiske kabler og optiske brytere lys. Mens en individuell teknologi – for eksempel jetmotoren – er designet for et bestemt formål, er et domene en verktøykasse av nyttige komponenter – en konstellasjon av teknologier – som kan brukes på tvers av mange bransjer. En teknologi er oppfunnet, skriver Arthur. Et domene dukker opp bit for bit fra dets individuelle deler.

Skillet er kritisk, hevder han, fordi brukere raskt kan ta i bruk en individuell teknologi for å erstatte eksisterende enheter, mens nye domener blir møtt av potensielle brukere som må prøve å forstå dem, finne ut hvordan de skal bruke dem, avgjøre om de er verdt, og lage applikasjoner for dem. I mellomtiden må de som utvikler de nye domenene forbedre verktøyene i verktøykassen og finne opp de manglende delene som er nødvendige for nye applikasjoner. Alt dette tar normalt flere tiår, sier Arthur. Det er en veldig, veldig langsom prosess.

Det Arthur kort kommer inn på er at denne utviklingen av en ny mengde teknologi ofte matches av en enda mer kjent progresjon: entusiasme for en ny teknologi, investor- og brukerdesillusjon ettersom teknologien ikke klarer å leve opp til hyperbolen, og en langsom gjenoppstår etter hvert som teknologien modnes og begynner å møte markedets behov.

En løsning på jakt etter problemer
På slutten av 1990-tallet ble mikrofluidikk (eller, som det noen ganger kalles, lab on a chip-teknologi) nok et overhypet fremskritt i en epoke beryktet for dem. Talsmenn snakket opp potensialet til sjetongene. Men enhetene kunne ikke utføre de komplekse væskemanipulasjonene som kreves for mange applikasjoner. De ble utpekt som en erstatning for alt. Det gikk tydeligvis ikke så bra ut, sier Michael Hunkapiller, en venturekapitalist hos Alloy Ventures i Palo Alto, CA, som nå investerer i flere mikrofluidikkstartups, inkludert Fluidigm. Teknologiens muligheter på 1990-tallet, sier han, var langt mindre universelle enn hypen.

Problemet, som Arthur kunne si det, var at verktøykassen manglet nøkkeldeler. Fremtredende blant de nødvendige komponentene var ventiler, som ville tillate flyten av væsker å slås av og på på bestemte steder på brikken. Uten ventiler har du bare en slange; med ventiler kan du bygge pumper og begynne å tenke på måter å bygge rørleggerarbeid på. Problemet ble løst i laboratoriet til Stephen Quake, den gang professor i anvendt fysikk ved Caltech og nå i bioingeniøravdelingen i Stanford. Quake og hans Caltech-kolleger fant en enkel måte å lage ventiler i mikrofluidkanaler på en polymerplate. I løpet av to år etter å ha publisert en artikkel om ventilene, hadde gruppen lært hvordan man lager en mikrofluidisk brikke med tusenvis av ventiler og hundrevis av reaksjonskamre. Det var den første slike brikke som var verdig å bli sammenlignet med en integrert krets. Teknologien ble lisensiert til Fluidigm, som Quake var med på å grunnlegge i 1999.

I mellomtiden oppfant andre akademiske laboratorier andre stadig mer komplekse måter å manipulere væsker i mikrofluidiske enheter. Resultatet er en ny generasjon selskaper utstyrt med langt mer dyktige teknologier. Likevel er mange potensielle brukere fortsatt skeptiske. Nok en gang befinner mikrofluidikk seg i en kjent fase av teknologiutviklingen. Som David Weitz, fysikkprofessor ved Harvard og medgründer av flere mikrofluidikkselskaper, forklarer: Det er en fantastisk løsning som fortsatt leter etter de beste problemene.

Det er mange muligheter. Biomedisinske forskere har begynt å bruke mikrofluidikk for å se på hvordan individuelle celler uttrykker gener. I ett eksperiment bruker kreftforskere en av Fluidigms brikker til å analysere prostatasvulstceller, og søker etter mønstre som vil hjelpe dem å velge medisiner som mest effektivt vil bekjempe svulsten. Fluidigm har også nylig introdusert en chip designet for å dyrke stamceller i et nøyaktig kontrollert mikromiljø. For tiden, når stamceller dyrkes i laboratoriet, kan det være vanskelig å etterligne de kjemiske forholdene i et levende dyr. Men små grupper av stamceller kan deles i deler av en mikrofluidisk brikke og bades i kombinasjoner av biokjemikalier, slik at forskere kan optimalisere vekstforholdene deres.

Og mikrofluidikk kan muliggjøre billige og bærbare diagnostiske enheter for bruk på legekontorer eller til og med eksterne klinikker. I teorien kan en prøve av for eksempel blod slippes på en mikrofluidisk brikke, som ville utføre den nødvendige bioanalysen - identifisere et virus, oppdage avslørende kreftproteiner eller finne biokjemiske tegn på et hjerteinfarkt. Men i medisinsk diagnostikk som i biomedisinsk forskning, har mikrofluidikk ennå ikke blitt bredt tatt i bruk.

Igjen gir Arthurs analyse en forklaring. Brukere som møter de nye verktøyene må avgjøre om de er verdt det. Når det gjelder mange diagnostiske applikasjoner, må biologer bedre forstå hvilke biokjemikalier som skal oppdages for å utvikle tester. I mellomtiden må de som utvikler mikrofluidiske enheter gjøre enhetene enklere å bruke. Som Arthur minner oss om, må vitenskapen og teknologien bygge på hverandre, og teknologer må finne opp de manglende brikkene som brukerne vil ha; det er en langsom, møysommelig utvikling.

Det er ofte vanskelig å forutsi hva de manglende brikkene vil være. Hunkapiller husker kommersialiseringshistorien til den automatiserte DNA-sekvenseren, en maskin som han og kollegene hans oppfant hos Caltech og som ble kommersialisert i 1986 hos Applied Biosystems. (Maskinen bidro til å muliggjøre Human Genome Project.) Noen ganger er det en merkelig ting som får en teknologi til å ta fart, sier han. Automatisert sekvensering ble ikke populær før rundt 1991 eller 1992, sier han, da selskapet introduserte et prøveforberedelsessett. Selv om det ikke var et spesielt imponerende teknisk fremskritt – absolutt ikke på nivået til selve den automatiserte sequenceren – hadde settet en enorm innvirkning fordi det gjorde det lettere å bruke maskinene og førte til mer pålitelige resultater. Plutselig, husker han, økte salget: Det var ikke en stor sak å betale $100 000 for en maskin lenger.

I et nylig intervju demonstrerte Whitesides en mikrofluidisk brikke laget av papir der væsker ledes gjennom kanaler til små kammer hvor testreaksjoner utføres. Så dro han en ny smarttelefon, fortsatt i plastemballasjen, ut av esken. Hva om, tenkte han, kunne du på en eller annen måte bruke telefonens kamera til å fange opp mikrobrikkens data og bruke dens beregningskraft til å behandle resultatene, i stedet for å stole på store dedikerte lesere? En enkel avlesning på telefonen kan gi brukeren den informasjonen han eller hun trenger. Men før det skjer, erkjente han, vil det være behov for forskjellige andre fremskritt. Faktisk, som om de ble minnet om den vanskelige jobben foran seg, la Whitesides raskt smarttelefonen tilbake i esken.

David Rotman er redaktør for Teknologigjennomgang .

gjemme seg