رقاقة حيوية
التاريخ

يرجع تاريخ الرقاقات الحيوية إلى أمدٍ بعيدٍ من الزمان، والذي يبدأ من الأعمال المبكرة المتعلقة بتقانة المستشعرات. حيث كان قطب الآس الهيدروجيني الزجادي من أوائل المستشعرات الكيميائية المحمولة، والذي اخترعه هوجس في عام 1922 (Hughes, 1922). هذا وتم استكمال إنجاز قياس الآس الهيدروجيني (pH) بالتبادلات فيما بين مواقع H+ وأكسيد السيليكون (SiO) في الزجاج. في حين استُخْدِمَت الفكرة الرئيسية لاستخدام مواقع التبادل لإنتاج وتصنيع الأغشية الانتقائية في تطوير المستشعرات الأيونية الأخرى (بالإنجليزية:  Ion selective electrode)‏عبر السنوات المتلاحقة. تم تصنيع مستشعر H+ من خلال دمج الفالينوميسين (بالإنجليزية:  Valinomycin)‏ داخل غشاءٍ رقيقٍ (Schultz, 1996). إلا أننا نلاحظ انقضاء أكثر من ثلاثين عاماً قبيل إنتاج أول مستشعرٍ حيويٍ (بالإنجليزية:  Biosensor)‏ حقيقيٍ (على سبيل المثال مستشعرٌ قائمٌ على استخدام الجزيئات الحيوية). حيث نشر ليلاند كلارك ورقةٍ بحثيةٍ عن قطب الأكسجين الاستشعاري (بالإنجليزية:  Clark electrode)‏ (Clark, 1956_41). فقد أصبح هذا الجهاز القاعدة أو المنصة المستخدمة في تصنيع مستشعر الجلوكوز والذي قام كلارك وزميله ليونز بتطويره في عام 1962، والذي يقوم على استخدام جزيئات أكسيداز الجلوكوز (بالإنجليزية:  Glucose oxidase)‏ الموجودة في غشاء الديال (Clark, 1962). مع ملاحظة أن الإنزيم يقوم بوظيفته في وجود الغلوكوز لتقليص كمية الأكسجين المتوفرة لقطب الأكسجين، ومن ثم ربط مستويات الأكسجين بتركيز الغلوكوز. مما يجعل تلك الأجهزة بالإضافة إلى المستشعرات الحيوية معروفة على أنها أقطاب إنزيمية، والتي ما زالت معروفة هكذا حتى يومنا هذا.
كما أعلن واطسون وكريك (بالإنجليزية: Watson and Crick)‏ في عام 1953 عن اكتشافهما للبنية الحلزونية المزدوجة (بالإنجليزية:  Nucleic acid double helix)‏ لجزيءالحمض النووي، بالإضافة إلى أنهما أرسا المرحلة البحثية في علم الجينوم والتي استمرت حتى وقتنا الحاضر (Nelson, 2000). هذا وقد مكَّن التطور في أساليب التسلسل (بالإنجليزية:  sequencing)‏ في عام 1977، على يد كلٍ من ولتر غيلبرت (Maxam, 1977) وفردريك سانغر (Sanger, 1977) (والذي عمل كلٌ منهما بشكلٍ منفردٍ على حدةٍ)، الباحثين من قراءة الشفرات الوراثية مباشرةً، والتي وفرت تعليماتٍ حول عملية تخليق البروتين الحيوي. حيث أوضح هذا البحث كيفية الاستفادة من تهجين (بالإنجليزية:  Hybridisation (molecular biology))‏ ضفائر الأوليغونوكليوتيدات (بالإنجليزية: oligonucleotide)‏ المفردة المتكاملة كقاعدةٍ لاستشعار بالحمض النووي. في حين ساعد إنجازان إضافيان آخران في تقديم العون للتقانة المستخدمة في مجال مستشعرات الحمض الريبي النووي. الإنجاز الأول تمثل في اختراع كاري موليس عام 1983 لتقنية تفاعل البوليميراز المتسلسل (PCR) (Nelson, 2000)، وهي عبارة عن طريقةٍ لتكبير تركيزات الحمض النووي (دنا). حيث ساعد هذا الاكتشاف على التمكن من القدرة على تحديد الكميات متناهية الصغر من الحمض النووي في العينات التي يتم التقاطها. في حين تمثل الإنجاز الثاني في اختراع هود ومعاونيه عام 1986 لطريقةٍ لوصم جزيئات الحمض النووي برقع النيون بدلاً من استخدام الرقع الاشعاعية (Smith, 1986)، ومن ثم التمككن من الملاحظة البصرية لتجارب التهجين.
هذا وقد أسفر التقدم التقني الكبير والمتسارع في مجال الكيمياء الحيوية وأشباه الموصلات في الثمانينات من القرن العشرين عن إحداث طفرةٍ نمائيةٍ عريضة النطاق في مجال تقانة الرقائق الحيوية في فترة التسعينات من القرن ذاته. حيث أصبح من الجلي في ذلك الوقت أن الرقاقات الحيوية كانت تمثل وبصورةٍ كبيرةٍ الأرضية أو الدعامة التقنية والتي كونت العديد من المكونات المنفصلة وحتى المتكاملة معاً. فالشكل (1) يعرض مثالاً نموذجياً لقاعدة رقاقةٍ حيويةٍ. فالعنصر المكون الاستشعاري (أو «الرقاقة») هو مجرد قطعةٍ واحدةٍ في نظامٍ تحليليٍ كاملٍ. حيث يجب إتمام عملية التبديل لترجمة حدث الاستشعار الفعلي (رابطة الحمض النووي الريبي، تفاعلات أكسدة-اختزال إلخ) إلى صيغةٍ مفهومةٍ من قِبَل الحاسوب (الجهد، كثافة الضوء، الكتلة إلخ)، والتي تُمَكِّن التحليل الإضافي وعملية المعالجة من تقديم وإنتاج منتجٍ نهائيٍ يمكن قراءته بواسطة الإنسان. وهنا نلاحظ أن التقنيات المتعددة المطلوبة لإنتاج شريحةٍ حيويةٍ ناجحةٍ – من كيمياء استشعار، إلى مصفوفةٍ دقيقةٍ (بالإنجليزية:  microarraying)‏- تتطلب مدخلاً منهجياً حقيقياً متعدد الأنظمة. وكانت رقاقة شركة Affymetrix الحيوية من أوائل الرقاقات الحيوية للأغراض التجارية التي تم تصنيعها. حيث اشتملت منتجاتهم «للرقاقات الجينية الوراثية» (بالإنجليزية:  GeneChip)‏ على آلاف مستشعرات الحمض النووي الفردية للاستخدام في استشعار العيوب، أو تعددات أوجه النوكليوتيد الفردي (بالإنجليزية:  single nucleotide polymorphisms)‏، في المورثات والتي منها جين بي53 (محفز للأورام) وجيني بروتين BRCA1 ومرض ألزهايمر وBRCA2 (المرتبطان بسرطان الثدي) (Cheng, 2001). وكانت تلك الرقاقات قد تم تصنيعها باستخدام أساليب الطباعة الحجرية الدقيقة والمستخدمة عادةً في تصنيع الدارات المتكاملة (انظر أسفل).
ونلاحظ انتشار تنوعاً كبيراً في يومنا هذا من تقنيات الرقاقات الحيوية والتي تتراوح بين طور التطوير والتوزيع التجاري. كما تم تحقيق العديد من الإنجازات والتطورات والتي ما زالت مستمرة في مجال أحاث الاستشعار التي تُمَكِّننا من تطوير أرضياتٍ جديدةٍ من أجل المزيد من التطبيقات الجديدة. كما أن تشخيص السرطان من خلال كتابة الحمض النووي الريبي هي مجرد فرصةٌ واحدةٌ أمام السوق. مما يفتح المجال أمام العديد من الصناعات لترغب حالياً في التمكن من مسح قطاعٍ عريضٍ من العوامل الكيميائية والحيوية في آنٍ واحدٍ، في حين تتنوع أغراضها من مجرد اختبار أنظمة المياه العامة من أجل استكشاف العوامل المسبببة للمرض، إلى مسح الحمولة الجوية بحثاً عن متفجراتٍ. وتطمح شركات الأدوية بصورةٍ اندماجيةٍ إلى مسح مرشحي الأدوية ضد الإنزيمات المستهدفة. ولتحقيق مثل تلك الأهداف، يتم توظيف الحمض النووي، الحمض الريبي النووي، البروتينات، بل حتى الخلايا الحية في حد ذاتها، كوسائط استشعار على الرقاقات الحيوية (Potera, 2008). كما تم توظيف العديد من طرائق التنبيغ (التحاس) كذلك والتي منها صدى سطح البلازمون (بالإنجليزية:  surface plasmon resonance)‏، الفلورية، والضيائية الكيميائية. في حين تعتمد أساليب التحاس والاستشعار الخاصة والتي تم انتقائها على بعض العوامل منها السعر، الحساسية، والقدرة على إعادة الاستخدام مرةً أخرى.