Biotechnologia.pl: Czym zajmuje się mikrofluidyka?

Artur Ruszczak: Tematyka dotycząca mikroprzepływów jest stosunkowo nową gałęzią nauki. Skupia się ona na poznaniu zjawisk, jakie zachodzą podczas przepływu cieczy w mikroskali. Mikrofluidyka znajduje zastosowanie w takich obszarach nauk biologicznych jak biotechnologia, genetyka czy mikrobiologia.

Kiedy pojawiła się ta dziedzina nauki? Na czym opiera się zjawisko procesów mikroprzepływowych?

Na początku lat 90 naukowcy zaczęli tworzyć układy maleńkich kanalików, w których przepuszczali płyny. Zaobserwowali oni, że w takich warunkach ciecze zachowują się inaczej niż ma to miejsce w makroskali (np. w przypadku rzek). Co ciekawe, z kilku mililitrów płynu można wygenerować od kilku milionów do kilku miliardów kropel, które mają objętość od piko do nanolitrów. Każda z tych kropel może służyć jako oddzielna próbka laboratoryjna. Możliwa jest miniaturyzacja całych laboratoriów poprzez konstrukcję chipów, w których można generować sekwencje kropel o różnym składzie, a także kontrolować ich zachowanie.

Jakie są etapy takiego eksperymentu?

Pierwszy etap badania polega na naniesieniu próbki do rezerwuaru zewnętrznego. Następnie krople generowane są w tzw. łączu T, gdzie działanie elektrod wywołuje wystąpienie pola elektrycznego, dzięki któremu krople łączą się. Mieszanie reagentów reakcji zachodzi w kanałach typu zig-zag, gdzie występuje naprzemienne zawijanie i rozciąganie kropli. Kolejnym etapem jest inkubacja, która może zachodzić w wężykach jak i w inkubatorach. Odczyt wyników prowadzony jest np. z użyciem spektrofotometru.

Jakie są zalety stosowania tej metody?

Podstawową zaletą jest niskie zużycie substratów. Możliwe jest precyzyjne dozowanie reagentów oraz kontrolowanie warunków reakcji. Ponadto wyniki otrzymywane w przypadku użycia tej metody są wiarygodne statystycznie. Co więcej, takie badania są dużo tańsze od badań tradycyjnych. Głównym założeniem technologii „Lab on a chip” jest produkowanie małych urządzeń, które będą całymi laboratoriami. Dzięki tej metodzie być może prawdopodobne będzie wykonywanie analiz medycznych „przy łóżku pacjenta”.

Jakie jest zastosowanie urządzeń tego typu?

Chipy mikrofluidyczne znajdują zastosowanie w określaniu antybiotykooporności bakterii, poprzez wyznaczenie minimalnego stężenia hamującego dla badanego antybiotyku (MIC). Urządzenia te można stosować także do screeningu nowych leków.

Nasza grupa badawcza zajmuje się między innymi optymalizacją różnych procesów biologicznych. Prowadzimy doświadczenia nad produkcją bioetanolu przez bakterie Zymomonas mobilis, które są zdolne do przeprowadzania fermentacji alkoholowej. Badane bakterie inkubujemy w kroplach. Po inkubacji oznaczamy zawartość etanolu poprzez przeprowadzenie reakcji enzymatycznej z użyciem odpowiedniego barwnika. Barwne produkty reakcji możemy oznaczać spektrofotometrycznie. Serie badań przeprowadzamy dla prób o różnych początkowych stężeniach cukrów w podłożu.

Kolejnymi procesami, jakie chcemy przebadać przy użyciu chipów mikrofluidycznych, są transkrypcja i translacja in vitro. Mamy na celu przeprowadzenie syntezy białek bez użycia żywych komórek, ponieważ komórki te często narażone są na cytotoksyczny wpływ reagentów. Wykonanie tych procesów bez udziału żywych komórek jest bardzo korzystne. Zwiększona zostaje wydajność reakcji, możliwe jest zredukowanie niewłaściwego składania białek oraz nie ma potrzeby transportu przez błonę biologiczną. Zasada badania będzie opierała się na ocenie wpływu stężenia potasu i magnezu oraz plazmidu na poziom ekspresji genu kodującego białko GFP. Poziom ekspresji tego genu mierzyć będziemy oceniając intensywność fluorescencji za pomocą mikroskopu konfokalnego.

Czy na chwilę obecną metoda ta znajduje zastosowanie w przemyśle?

Jak do tej pory, badania z zastosowaniem kropel jako probówek do reakcji chemicznych, nie są popularne i nie ma jeszcze komercyjnych testów, które można kupić np. w aptece. Jednak dostępne są już liczne, szybkie testy diagnostyczne, np. test na nosicielstwo bakterii Helicobacter pylori, testy do oznaczania poziomu insuliny we krwi itd. Miejmy nadzieję, że wkrótce technologia ta rozwinie się na tyle sprawnie, że będzie można przeprowadzać różnego rodzaju badania bez konieczności korzystania ze skomplikowanej i drogiej aparatury.

Czy pańskim zdaniem metoda badań oparta na mikroprzepływach  rozwinie się w przyszłości?

Moim zdaniem mikrofluidyka jest niezwykle przyszłościową nauką. Świadczą o tym między innymi dotacje unijne oraz dofinansowania udzielane do badań zajmujących się tą tematyką. Instytut, w którym pracuję otrzymał w ostatnim czasie wiele grantów, między innymi prestiżowy grant Europejskiej Rady ds. badań naukowych (ERC). Co więcej, laboratoria zajmujące się mikroprzepływami cieczy są w bardzo dobrej kondycji finansowej, ponieważ wspierane są przez wiele organizacji pomagających naukowcom tego obszaru nauki. Mikrofluidyka jest nową dziedziną nauki z licznymi wyzwaniami na przyszłość.

Bardzo dziękujemy za rozmowę

Rozmawiały Justyna Barys i Klaudia Majewska

Wywiad przeprowadzony został podczas Międzyuczelnianego Sympozjum Biotechnologicznego "Symbioza" im. Prof. Krzysztofa W. Szewczyka, które odbyło się w Warszawie w dniach 19-21 kwietnia.