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 nii, et biokiip töötaks andmekandjana, või kasutada biokiipe funktsionaalseteks operatsioonideks või vedelike dünaamiliseks transportimiseks. 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. 1990. aastate alguses töötati Stanfordi ülikoolis välja esimesed mikrokiibid. Esimesed biokiibid valmistati koostöös Affimetixiga. 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 esimest korda nii, et suvaliselt söövitatud kiudoptilise kaabli aukudesse pandi funktsionaliseeritud helmeid. Iga helmes oli unikaalselt kodeeritud fluorestsentsi signatuuriga. Sellisele kodeerimisviisile seab piirangu piisavalt paljude eristatavate värvikombinatsioonide puudumine. "High-Level Synthesis of Digital Microfluidic Biochips" (PDF). Duke University.(vaadatud 30.01.17) W. S. Hughes, "The potential difference between glass and electrolytes in contact with water," J. Am. Chem. Soc. 44, lk 2860–2866, 1922 (vaadatud 30.01.17) J. S. Schultz and R. F. Taylor in Handbook of Chemical and Biological Sensors, J. S. Schultz and R. F. Taylor, eds., ch. Introduction to Chemical and Biological Sensors, lk 1–10, Institute of Physics Publishing, Philadelphia, 1996 (vaadatud 30.01.17) D. L. Nelson and M. M. Cox, Lehninger Principles of Biochemistry, Worth Publishers, New York, 2000 (vaadatud 30.01.17) A. M. Maxam and W. Gilbert, "A new method for sequencing DNA," Proc. Natl. Acad. Sci. 74, lk 560–564, 1977 (vaadatud 30.01.17) F. Sanger, S. Nicklen, and A. R. Coulson, "DNA sequencing with chainterminating inhibitors," Proc. Natl. Acad. Sci. 74, lk 5463–5467, 1977 (vaadatud 30.01.17) L. M. Smith, J. Z. Sanders, R. J. Kaiser, P. Hughes, C. Dodd, C. R. Connell, C. Heiner, S. B. H. Kent, and L. E. Hood, "Fluorescence detection in automated DNA sequence analysis," Nature 321, lk 61–67, 1986 (vaadatud 30.01.17) P. Fortina, D. Graves, C. Stoeckert, Jr., S. McKenzie, and S. Surrey in Biochip Technology, J. Cheng and L. J. Kricka, eds., ch. Technology Options and Applications of DNA Microarrays, lk 185–216, Harwood Academic Publishers, Philadelphia, 2001 (vaadatud 30.01.17) Priit Tomson, "DNA mikrokiipidel kasutatavate oligote kvaliteeti mõjutavad parameetrid ja meetodid nende disainiks", lk 6, 2005, veebilehekülg: goo.gl/mWA3cf (vaadatud 30.01.17) M. Schena, D. Shalon, R. W. Davis, and P. O. Brown, "Quantitative monitoring of gene expression patterns with a complementary DNA microarray," Science 270, lk 467–470, 1995 (vaadatud 30.01.17) G. MacBeath, A. N. Koehler, and S. L. Schreiber, "Printing small molecules as microarrays and detecting protein-ligand interactions en masse," J. Am. Chem. Soc. 121, lk 7967–7968, 1999 (vaadatud 30.01.17) T.Venkat Narayana Rao, Sai Sukruthi.G, Gloria Raj3 International Journal of Emerging Technology and Advanced Engineering: Biochip Technology – A Gigantic Innovation, Märts 2012 (vaadatud 31.01.2017) S. P. Fodor, J. L. Read, M. C. Pirrung, L. Stryer, A. T. Lu, and D. Solas, "Light-directed, spatially addressable parallel chemical analysis," Science 251, lk 767–773, 1991 (vaadatud 30.01.17) A. C. Pease, D. Solas, E. J. Sullivan, M. T. Cronin, C. P. Holmes, and S. P. Fodor, "Light-generated oligonucleotide arrays for rapid DNA sequence analysis," Proc. Natl. Acad. Sci. 91, lk 5022–5026, 1994 (vaadatud 30.01.17) F. J. Steemers, J. A. Ferguson, and D. R. Walt, "Screening unlabeled DNA targets with randomly-ordered fiber-optic gene arrays," Nature Biotechnology 18, lk 91–94, 2000 (vaadatud 30.01.17) K. L. Michael, L. C. Taylor, S. L. Schultz, and D. R. Walt, "Randomly ordered addressable high-density optical sensor arrays," Analytical Chemistry 70, lk 1242–1248, 1998 (vaadatud 30.01.17)