Spalare l'acqua

Il nuovo chip microfluidico fabbricato da Fluidigm, una startup con sede a South San Francisco, rappresenta un decennio di invenzioni successive. Questo piccolo quadrato di polimero spugnoso, lo stesso tipo utilizzato nelle lenti a contatto e nel calafataggio delle finestre, contiene una complessa rete di canali, pompe e valvole microscopici. Minuscoli volumi di liquido da, ad esempio, un campione di sangue possono fluire attraverso il labirinto di canali per essere segregati dalle valvole e pompati in quasi 10.000 minuscole camere. In ogni camera si possono analizzare nanolitri (miliardesimi di litro) del liquido.

Laboratorio su un chip : Il chip microfluidico di Fluidigm (il quadrato grigio al centro) utilizza minuscoli canali e valvole per manipolare i liquidi. Consente saggi biologici veloci e sensibili

La capacità di spostare fluidi attorno a un chip su scala microscopica è uno dei risultati più impressionanti della biochimica negli ultimi 10 anni. I chip microfluidici, che ora sono prodotti da una manciata di aziende startup e da un numero simile di fonderie universitarie, consentono a biologi e chimici di manipolare piccole quantità di fluido in modo preciso e altamente automatizzato. Le potenziali applicazioni sono numerose, inclusi dispositivi portatili per rilevare varie malattie e macchine in grado di analizzare rapidamente il contenuto di un gran numero di singole cellule (ognuna contiene circa un picolitro di liquido) per identificare, ad esempio, mutazioni cancerose rare e mortali. Ma la microfluidica rappresenta anche una svolta fondamentale nel modo in cui i ricercatori possono interagire con il mondo biologico. La vita è acqua che scorre attraverso i tubi, afferma George Whitesides, un chimico dell'Università di Harvard che ha inventato gran parte della tecnologia utilizzata nella microfluidica. Se siamo interessati alla vita, dobbiamo essere interessati ai fluidi su piccola scala.

Questa storia faceva parte del nostro numero di gennaio 2010

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Per spiegare l'importanza della tecnologia e la complessità del suo apparato microscopico, chi si occupa di microfluidica fa spesso paragoni con microprocessori e circuiti integrati. In effetti, un chip microfluidico e un microprocessore elettronico hanno architetture simili, con valvole che sostituiscono i transistor e canali che sostituiscono i fili. Ma manipolare i liquidi attraverso i canali è molto più difficile che instradare gli elettroni attorno a un circuito integrato. I fluidi sono, beh, disordinati. Possono essere difficili da spostare, spesso sono costituiti da un complesso stufato di ingredienti e possono attaccarsi e perdere.

Nell'ultimo decennio, i ricercatori hanno superato molte di queste sfide. Ma se la microfluidica vuole diventare veramente paragonabile alla microelettronica, dovrà superare una sfida molto più ardua: il passaggio da promettente strumento di laboratorio a tecnologia commerciale ampiamente utilizzata. Può essere trasformato in prodotti che scienziati, tecnici medici e medici vorranno utilizzare? I biologi sono sempre più interessati all'utilizzo di sistemi microfluidici, afferma Whitesides. Ma, aggiunge, vai in laboratorio e trovi questi dispositivi ovunque? La risposta è no. La cosa interessante è che non è davvero decollato. La domanda è, perché no?

Cose recensite

• Biomark 96.96 Array dinamico

  fluidigma

  
  
  

• La natura della tecnologia: cos'è e come si evolve

  Di W. Brian Arthur
  Stampa libera, 2009

Una domanda simile potrebbe essere posta su almeno altre due importanti tecnologie emerse nell'ultimo decennio: la medicina basata sul genoma e la nanotecnologia. Ognuno ha iniziato questo secolo con scoperte significative e molto clamore. Il sequenziamento del genoma umano è stato annunciato per la prima volta all'inizio del 2001; la National Nanotechnology Initiative, che ha contribuito a lanciare gran parte dell'odierna ricerca sulle nanotecnologie, ha ottenuto il suo primo finanziamento federale nel 2000. Sebbene tutte e tre le tecnologie abbiano prodotto un'infarinatura di nuovi prodotti, nessuna ha avuto gli effetti di trasformazione che molti esperti si aspettavano. Perché ci vuole così tanto tempo prima che una tecnologia così importante e preziosa come queste abbia un impatto? Come si creano prodotti popolari a partire da tecnologie radicalmente nuove? E come attrarre potenziali utenti?

Pazienza, Pazienza
Nonostante l'importanza economica, sociale e scientifica della tecnologia, il processo per crearla è poco conosciuto. In particolare, i ricercatori hanno ampiamente trascurato la questione di come le tecnologie si sviluppino nel tempo. Questo è il punto di partenza di The Nature of Technology di W. Brian Arthur, un tentativo di sviluppare una teoria completa di cosa sia la tecnologia e come si evolve. Arthur si mise a lavorare negli scaffali della biblioteca della Stanford University. Quando ho iniziato a leggere, sono rimasto stupito dal fatto che alcune delle domande chiave non fossero state pensate molto a fondo, ha ricordato in una recente intervista. Mentre molto è stato scritto sulla sociologia della tecnologia e dell'ingegneria, e c'è molto sulla storia delle varie tecnologie, ha detto, c'erano grandi lacune nella letteratura. Come si evolve concretamente la tecnologia? Come definisci la tecnologia?

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Una mappa dei brevetti creata da IPVision, con sede a Cambridge, MA, mostra molte delle invenzioni chiave di Stephen Quake e Fluidigm nell'ultimo decennio che hanno reso possibili i chip microfluidici dell'azienda. La cronologia mostra diversi importanti progressi iniziali e come la microfluidica di oggi utilizza entrambi i progressi nella microfabbricazione e nella biochimica. Una rete così complessa di invenzioni non è rara nello sviluppo di nuovi corpi tecnologici.
Credito: IPVision

Arthur spera di fare per la tecnologia ciò che Thomas Kuhn ha fatto notoriamente per la scienza nel suo The Structure of Scientific Revolutions del 1962, che descriveva come si verificano le scoperte scientifiche e come vengono adottate. Una parte fondamentale dell'argomentazione di Arthur è che la tecnologia ha le sue caratteristiche e la sua natura, e che è stata troppo a lungo trattata come subordinata alla scienza o semplicemente come scienza applicata. Scienza e tecnologia sono completamente intrecciate ma diverse, dice: La scienza riguarda la comprensione dei fenomeni, mentre la tecnologia riguarda in realtà lo sfruttamento e l'utilizzo dei fenomeni. Si costruiscono l'uno dall'altro.

Arthur, un ex professore di economia e studi sulla popolazione a Stanford che ora è professore esterno al Santa Fe Institute e ricercatore in visita al Palo Alto Research Center, è forse meglio conosciuto per il suo lavoro sulla teoria della complessità e per la sua analisi dell'aumento rendimenti, che hanno aiutato a spiegare come un'azienda arriva a dominare il mercato per una nuova tecnologia. Se raggiunge il suo obiettivo di formulare una teoria rigorosa della tecnologia è discutibile. Il libro, tuttavia, offre una descrizione dettagliata delle caratteristiche delle tecnologie, costellata di interessanti curiosità storiche. E fornisce un contesto in cui iniziare a comprendere i processi spesso laboriosi e lunghi con cui le tecnologie vengono sfruttate commercialmente.

Particolarmente preziose sono le intuizioni di Arthur su come i diversi domini della tecnologia si evolvono in modo diverso rispetto alle singole tecnologie. I domini, come li definisce Arthur, sono gruppi di tecnologie che si incastrano perché sfruttano un fenomeno comune. L'elettronica è un dominio; i suoi dispositivi - condensatori, induttori, transistor - funzionano tutti con gli elettroni e quindi si adattano naturalmente insieme. Allo stesso modo, nella fotonica, i laser, i cavi in ​​fibra ottica e gli interruttori ottici manipolano tutti la luce. Mentre una singola tecnologia, ad esempio il motore a reazione, è progettata per uno scopo particolare, un dominio è una cassetta degli attrezzi di componenti utili, una costellazione di tecnologie, che può essere applicata in molti settori. Viene inventata una tecnologia, scrive Arthur. Un dominio emerge pezzo per pezzo dalle sue singole parti.

La distinzione è fondamentale, sostiene, perché gli utenti possono adottare rapidamente una tecnologia individuale per sostituire i dispositivi esistenti, mentre nuovi domini vengono incontrati da potenziali utenti che devono cercare di capirli, capire come usarli, determinare se valgono la pena e creare applicazioni per loro. Nel frattempo, coloro che sviluppano i nuovi domini devono migliorare gli strumenti nella cassetta degli attrezzi e inventare i pezzi mancanti necessari per nuove applicazioni. Tutto questo normalmente richiede decenni, dice Arthur. È un processo molto, molto lento.

Ciò che Arthur tocca solo brevemente è che questa evoluzione di un nuovo corpo di tecnologia è spesso accompagnata da una progressione ancora più familiare: entusiasmo per una nuova tecnologia, disillusione di investitori e utenti poiché la tecnologia non riesce a essere all'altezza dell'iperbole e un lento riemergere man mano che la tecnologia matura e inizia a soddisfare le esigenze del mercato.

Una soluzione in cerca di problemi
Alla fine degli anni '90, la microfluidica (o, come viene talvolta chiamata, la tecnologia lab on a chip) è diventata un altro progresso sopravvalutato in un'era famigerata per loro. I sostenitori hanno parlato del potenziale dei chip. Ma i dispositivi non sono stati in grado di eseguire le complesse manipolazioni dei fluidi necessarie per molte applicazioni. Sono stati propagandati come un sostituto per tutto. Chiaramente non è andato molto bene, afferma Michael Hunkapiller, un venture capitalist di Alloy Ventures a Palo Alto, in California, che ora sta investendo in diverse startup di microfluidica, tra cui Fluidigm. Le capacità della tecnologia negli anni '90, dice, erano molto meno universali del clamore.

Il problema, per dirla con Arthur, era che nella cassetta degli attrezzi mancavano dei pezzi chiave. Tra i componenti necessari spiccavano le valvole, che consentivano di attivare e disattivare il flusso di liquidi in punti specifici del chip. Senza valvole, hai solo un tubo flessibile; con le valvole puoi costruire pompe e iniziare a pensare a modi per costruire impianti idraulici. Il problema è stato risolto nel laboratorio di Stephen Quake, allora professore di fisica applicata al Caltech e ora nel dipartimento di bioingegneria a Stanford. Quake e i suoi colleghi del Caltech hanno trovato un modo semplice per realizzare valvole in canali microfluidici su una lastra polimerica. Nel giro di due anni dalla pubblicazione di un articolo sulle valvole, il gruppo aveva imparato a creare un chip microfluidico con migliaia di valvole e centinaia di camere di reazione. È stato il primo chip del genere degno di essere paragonato a un circuito integrato. La tecnologia è stata concessa in licenza a Fluidigm, che Quake ha co-fondato nel 1999.

Nel frattempo, altri laboratori accademici hanno inventato altri modi sempre più complessi per manipolare liquidi in dispositivi microfluidici. Il risultato è una nuova generazione di aziende dotate di tecnologie molto più capaci. Tuttavia, molti potenziali utenti rimangono scettici. Ancora una volta, la microfluidica si trova in una fase familiare dello sviluppo tecnologico. Come spiega David Weitz, professore di fisica ad Harvard e cofondatore di diverse aziende di microfluidica: È una soluzione meravigliosa, ancora alla ricerca dei migliori problemi.

Ci sono molte possibilità. I ricercatori biomedici hanno iniziato a utilizzare la microfluidica per osservare come le singole cellule esprimono i geni. In un esperimento, i ricercatori sul cancro stanno usando uno dei chip di Fluidigm per analizzare le cellule tumorali della prostata, cercando modelli che li aiutino a selezionare i farmaci che combatteranno più efficacemente il tumore. Inoltre, Fluidigm ha recentemente introdotto un chip progettato per far crescere le cellule staminali in un microambiente controllato con precisione. Attualmente, quando le cellule staminali vengono coltivate in laboratorio, può essere difficile imitare le condizioni chimiche in un animale vivente. Ma piccoli gruppi di cellule staminali potrebbero essere suddivisi in sezioni di un chip microfluidico e immersi in combinazioni di sostanze biochimiche, consentendo agli scienziati di ottimizzare le loro condizioni di crescita.

E la microfluidica potrebbe rendere possibili dispositivi diagnostici economici e portatili da utilizzare negli studi medici o persino nelle cliniche remote. In teoria, un campione, diciamo, di sangue potrebbe essere lasciato cadere su un chip microfluidico, che effettuerebbe il test biologico necessario, identificando un virus, rilevando proteine ​​​​del cancro rivelatrici o trovando segni biochimici di un infarto. Ma nella diagnostica medica come nella ricerca biomedica, la microfluidica deve ancora essere ampiamente adottata.

Ancora una volta, l'analisi di Arthur offre una spiegazione. Gli utenti che incontrano i nuovi strumenti devono determinare se valgono la pena. Nel caso di molte applicazioni diagnostiche, i biologi devono capire meglio quali sostanze biochimiche rilevare per sviluppare i test. Nel frattempo, coloro che sviluppano dispositivi microfluidici devono rendere i dispositivi più facili da usare. Come ci ricorda Arthur, la scienza e la tecnologia devono basarsi l'una sull'altra e i tecnologi devono inventare i pezzi mancanti che gli utenti vogliono; è un'evoluzione lenta e faticosa.

Spesso è difficile prevedere quali saranno i pezzi mancanti. Hunkapiller ricorda la storia della commercializzazione del sequenziatore di DNA automatizzato, una macchina che lui ei suoi colleghi hanno inventato alla Caltech e che è stata commercializzata nel 1986 alla Applied Biosystems. (La macchina ha contribuito a rendere possibile il Progetto Genoma Umano.) A volte, è una cosa strana che fa decollare una tecnologia, dice. Il sequenziamento automatizzato non è diventato popolare fino al 1991 o 1992 circa, dice, quando l'azienda ha introdotto un kit di preparazione del campione. Sebbene non fosse un progresso tecnico particolarmente impressionante, certamente non al livello del sequenziatore automatizzato stesso, il kit ha avuto un impatto enorme perché ha reso più facile l'uso delle macchine e ha portato a risultati più affidabili. Improvvisamente, ricorda, le vendite sono esplose: non era più un grosso problema pagare $ 100.000 per una macchina.

In una recente intervista, Whitesides ha dimostrato un chip microfluidico fatto di carta in cui i liquidi vengono trasferiti attraverso canali verso minuscole camere in cui vengono eseguite le reazioni di prova. Poi tirò fuori dalla scatola un nuovo smartphone, ancora nella sua confezione di plastica. E se, rifletté, potessi in qualche modo usare la fotocamera del telefono per acquisire i dati del microchip e utilizzare la sua potenza di calcolo per elaborare i risultati, invece di affidarti a ingombranti lettori dedicati? Una semplice lettura sul telefono potrebbe fornire all'utente le informazioni di cui ha bisogno. Ma prima che ciò accada, ha riconosciuto, saranno necessari vari altri progressi. In effetti, come se si fosse ricordato del difficile lavoro che li attendeva, Whitesides ha rapidamente riposto lo smartphone nella scatola.

David Rotman è editore di Revisione della tecnologia .

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