Na Politechnice Wrocławskiej w ramach projektu studenckiego powstaje innowacyjne urządzenie do analizy materiału genetycznego. - To przenośnie laboratorium, niewielkich rozmiarów, które pozwoli na zbadanie bardzo małej ilości próbki – zapowiada Maciej Sasowski, prezes Koła Naukowego Mikroinżynierii, Mikroelektroniki i Mikrosystemów  M3

- Urządzenie to wykorzystuje metodę łańcuchowej reakcji polimerazy (ang. polymerase chain reaction, PCR), powszechnie stosowaną w stacjonarnych urządzeniach laboratoryjnych do analizy DNA np. w mikrobiologii, archeogenetyce czy kryminalistyce – wyjaśnia Maciej Sasowski. Wraz z inżynierem Arkadiuszem Walą przy wsparciu dra inż. Wojciecha Kubickiego zastosowali tę technologię, ale w mikroskali.

Lab-chip ze szkła

Sercem urządzenia jest miniaturowe laboratorium chipowe (lab-chip), które zawiera sieć mikroskopijnych kanałów przepływowych do precyzyjnego zarządzania próbką materiału genetycznego o objętości pojedynczych mikrolitrów.  - Lab-chip wykonany jest w całości ze szkła z wykorzystaniem technik mikroinżynieryjnych, opracowanych w Zakładzie Mikroinżynierii i Fotowoltaiki – mówi student.

Podstawą rozwoju współczesnej elektroniki jest miniaturyzacja. Mikrosystemy MEMS (Mikro-elektro-mechaniczne systemy) znajdują się praktycznie wszędzie: w telefonach komórkowych, samochodach, sprzęcie gospodarstw domowego, telewizorach, ale także urządzeniach do diagnostyki medycznej. – Obecny rozwój technik mikrosystemowych pozwala na wykonywanie coraz mniejszych i wydajniejszych urządzeń - mówi Maciej Sasowski.  Dlatego ich wynalazek ma być prosty w obsłudze i relatywnie tani w produkcji, tak aby mógł znaleźć zastosowanie w każdym laboratorium biologii molekularnej, ale także  w szpitalach oraz klinikach medycznych i weterynaryjnych (np. wykrywanie lekooporności, testy ojcostwa, analiza kryminalistyczna), jak również rutynowych badaniach genetycznych. 

Niewielkie i przenośne

Projekt studentów Politechniki wykorzystuje reakcję PCR, najczęściej używaną i najskuteczniejszą w badaniach genetycznych. - Technika ta bazuje na cyklicznych zmianach temperatury „koktajlu genetycznego” w zakresie 50-95°C, czego efektem jest powielenie łańcuchów DNA i uzyskanie ponad milionkrotnego namnożenia materiału w próbce w ciągu godziny – wyjaśnia Maciej Sasowski. Dodaje, że zaawansowane termocyklery PCR pozwalają na analizę śladowych ilości DNA w czasie rzeczywistym, ale ze względu na wysoki koszt sprzętu, długi czas analizy i duże zużycie kosztownych odczynników ich zastosowanie jest w praktyce ograniczone do nielicznych laboratoriów stacjonarnych.

Studenci zastąpili klasyczny termocykler miniaturowym lab-chipem PCR, który może być produkowany masowo.  Innowacyjność ich projektu polega na cyklicznym przepuszczaniu koktajlu genetycznego przez strefy grzejne wydzielone w układzie mikrofluidycznym lab-chipa, co znacznie skraca czas analizy i umożliwia  większą wydajności namnażania DNA.  Autorzy projektu zastosowali techniki mikroinżynieryjne obróbki szkła, które pozwalają na wykonanie szklanego laboratorium chipowego z siecią odpowiednio zaprojektowanych kanałów. - Ta innowacyjna technologia gwarantuje neutralność biologiczną urządzenia, co jest kluczowe w procesach związanych z DNA – tłumaczy Maciej Sasowski.

Oprócz szklanego chipa studenci wykonali też prototyp stanowiska pomiarowego, zawierającego m.in. miniaturowe pompki i zawory do sterowania przepływem próbki w mikrokanałach, układ akwizycji obrazu z lab-chipa, system synchronizacji, moduły komunikacyjne i oprogramowanie sterujące.

Maciej Sasowski: - Docelowo urządzenie będzie miało postać niewielkiej skrzynki z wbudowanym minikomputerem i wyświetlaczem graficznym, a operacje wykonywane przez użytkownika będą ograniczone do umieszczenia lab-chipa z próbką wewnątrz urządzenia. Laboratorium ma mieć zasilanie bateryjnie.

Obecnie trwają testy urządzenia z wykorzystaniem symulantów, a w kolejnym etapie będą to próbki rzeczywistego materiału genetycznego.

Iwona Szajner