Biokiip

Molekulaarbioloogias on biokiibid sisuliselt miniatuursed laborid, mis suudavad läbi viia sadu või tuhandeid üheaegselt toimuvaid biokeemilisi reaktsioone. Biokiibid võimaldavad teadlastel kiiresti läbi sõeluda suurt hulka analüüsitavaid aineid erinevatel eesmärkidel alates haiguse diagnoosimisest kuni bioterrorismi agentide avastamiseni. Digitaalsetest mikrofluidilistest biokiipidest on saanud üks paljutõotavamaid tehnoloogiaid paljudes biomeditsiinilistes valdkondades. Digitaalses mikrofluidilises biokiibis on võimalik rühm (kõrvuti asetsevaid) mikrofluidilises reastuses rakke seadistada töötamaks andmekandjana, funktsionaalseteks operatsioonideks, aga ka vedelike dünaamiliseks transportimiseks.

Ajalugu

Biokiibi arengule pani aluse sensortehnoloogia. Üks esimesi kaasaskantavaid keemial põhinevaid sensoreid oli glass pH electrode, mille leiutas Hughes 1922. aastal. Järgnevatel aastatel viidi K+ sensor valinomütsiini kaasates õhukesse kilesse.
1953. aastal avaldasid James Watson ja Francis Crick oma avastuse nüüdseks tuntud kaksikheeliksi struktuuri kohta DNA molekulides ja panid sellega aluse geneetikauuringutele, mis jätkuvad tänase päevani. Sekveneerimise tehnika arendamine 1977. aastal Walter Gilberti ja Frederick Sangeri poolt (töötasid eraldi) võimaldas teadlastel lugeda otse geneetilist koodi, mis annab juhiseid valgusünteesiks. See uuring näitas, kuidas komplementaarse ühekordse oligonukleotiidi suundade hübridisatsiooni saaks kasutada kui alust DNA kaugseirele. Kaks täiendavat arengut võimaldasid tehnoloogiat, mida kasutatakse tänapäevastes DNA baasil tehtavates uuringutes. Esiteks, 1983. aastal Kary Mullise leiutatud polümeraasi ahelreaktsiooni tehnika, meetod võimendamaks DNA kontsentratsioone. See avastus tegi võimalikuks äärmiselt väikeste DNA koguste avastamise proovides. Teiseks, 1986. aastal Hoodi ja kaastööliste poolt kavandatud meetod, mis nägi ette DNA molekulide märgistamist radiomärgiste asemel fluorestseeruvate siltidega võimaldades nii hübridisatsioonikatsete optiliselt jälgimist.
1990ndate alguses arendati Stanfordi ülikoolis välja esimesed mikrokiibid. Esimesed biokiibid valmistati koostöös Affimetix'iga.

Mikrokiibi valmistamine

Mikrokiip – tihe kahemõõtmeline biosensorite võre – on määrava tähtsusega osa biokiibi platvormist. Tavaliselt on sensorid asetatud siledale substraadile, mis on kas passiivne (näiteks räni või klaas) või aktiivne ehk koosneb integreeritud elektroonikast või mikromehaanilistest seadmetest, mis aitavad signaalülekannetel toimuda. Sensormolekulide kovalentselt sidumiseks substraadi meediumile kasutatakse pinnakeemiat. Mikrorivide valmistamine on mittetriviaalne ning ka suur majanduslik ja tehnoloogiline künnis, mis võib lõpuks otsustada tulevaste biokiibiplatvormide edu. Esmane tootmisalane väljakutse on iga sensori asetamine kindlale positsioonile substraadil (tavaliselt ristkoordinaatides). Paigutuse saavutamiseks on olemas erinevad vahendid, kuid tavaliselt kasutatakse väikeste sensormaterjalist täpikeste ehk spottide asetamiseks kiibi pinnale robotiseeritud mikropipettimise või mikroprintimise süsteeme. Kuna iga sensor on unikaalne, saab samal ajal asetada vaid mõned spotid. Selle protsessi madal tootlikkus väljendub suurtes tootmiskuludes.
Fodor ja tema kolleegid töötasid välja unikaalse tootmisprotsessi, milles kasutatakse mikrolitograafia sammude seeriaid, et ühe nukleotiidi kaupa kombinatoorselt sünteesida sadu tuhandeid unikaalseid üheahelalise DNA sensoreid substraadil. Iga baastüübi kohta on vaja ühte litograafilist sammu, seega on kokku vaja nelja sammu iga nukleotiidide taseme kohta. Kuigi see meetod on väga võimas, kuna võimaldab luua palju sensoreid korraga, on see praegu teostatav vaid loomaks lühikesi DNA ahelaid (15–20 nukleotiidi). Usaldusväärsus ja kulufaktorid piiravad tehtavate litograafiliste sammude arvu. Lisaks sellele, valgussuunatud kombinatoorse sünteesi meetodid ei ole praegu võimalikud valkude või muude tundlike molekulide puhul. 
Nagu ülal mainitud, enamus mikrorivisid koosnevad ristkoordinaatides asetatud sensoritest. Sellist lähenemist kasutatakse peamiselt selleks, et kaardistada või "kodeerida" iga sensori koordinaadistik selle sensori funktsioonile. Sellistes massiivides olevad sensorid kasutavad tavaliselt universaalset signalisatsioonitehnikat (näiteks fluorestsentsi) tehes seeläbi koordinaadid nende ainsaks tunnusjooneks. Need massiivid tuleb teha rakendades seriaalset meetodit (st mitme järjestikuse etapi kaupa), et olla kindel, et iga sensor paigutatakse õigele positsioonile.
Alternatiiv seriaalsele meetodile on "Juhuslik" valmistamine, mille puhul sensorid pannakse kiibile suvalises positsioonis. "Juhuslik" valmistamine ei eelda tüütu ja kalli positsioneerimise meetodi kasutamist ning võimaldab kasutada isekoostatud metoodikaid. Sellise lähenemisviisiga saab toota suuri identsete sensorite partiisid ning seejärel ühendada ja koondada igast partiist võetud sensorid massiivi. Iga sensori identifitseerimiseks kasutatakse koordinaatidel mittepõhinevat kodeerimisskeemi. Sellist disaini demonstreeriti esmakordselt asetades suvaliselt söövitatud kiudoptilise kaabli aukudesse funktsionaliseeritud helmeid. Iga helmes oli unikaalselt kodeeritud  fluorestsentsi signatuuriga. Sellisele kodeerimisviisile seab piirangu piisavalt paljude eristatavate värvikombinatsioonide puudumine.