Orchid; Chemie

De top-vier van meest befaamde onderzoeksinstituten in de Verenigde Staten bestaat uit Bell, IBM, Xerox, maar ook het onbekende Sarnoff Corp.

Grondlegger David Sarnoff - Rus van geboorte en autodidact pur sang - ontwikkelde de eerste zwart-wittelevisie en later de eerste kleurentv. De onderneming in Princeton (NJ), waar Albert Einstein ooit werkte, was de eerste met liquid-chrystal display (LCD) en op dit ogenblik kan het bedrijf, dat vroeger RCA heette, een HDTV laten zien met een beeld van adembenemende schoonheid. Vraag is wat een bedrijf met zo'n reputatie op het gebied van electronica uit te staan heeft met biotechnologie. “Vanwege de chips,” zegt Dale R. Pfost, bestuursvoorzitter van het in september '95 opgezette Orchid Biocomputer Inc., een joint venture van Sarnoff en SmithKline Beecham (SB). Het bedrijf telt inmiddels 65 werknemers. “De betekenis die chips hebben voor de micro-electronica kunnen ze ook hebben voor de chemie.”

Als bepaald basaal DNA-onderzoek is verricht en daaruit bijvoorbeeld is gebleken dat enzym X verantwoordelijk is voor het afbreken van beencellen, moet het desastreuze werk van dat enzym worden gestopt. De stof die dat enzym onschadelijk kan gaan maken is een potentieel geneesmiddel. Maar het vinden van zo'n stof is een ingewikkelde klus. De drug discovery chip van Orchid, gekoppeld aan een microfluidic pompsysteem moet vooral helpen bij het snel vinden van die stof. “De ontwikkelingstijd van een geneesmiddel beloopt nu twaalf jaar,” zegt Pfost, “dat is veel te lang.”

Veel tijd van duur betaalde onderzoekers gaat zitten in het ontdekken van nieuwe chemische verbindingen, zogeheten new chemical entities. Voordat een geneesmiddel op de markt verschijnt, moeten vaak tienduizenden potentieel actieve stoffen worden getest. In 1991 kwam daar een revolutionaire techniek voor beschikbaar, combinatorial chemistry (CC), waarmee onderzoekers snel en volledig geautomatiseerd grote aantallen nieuwe moleculen kunnen synthetiseren en uitproberen. CC werd voor de farmaceutische industrie ontwikkeld, maar is snel doorgedrongen tot andere gebieden van chemie en materiaalkunde en zo ook bij Sarnoff terecht gekomen.

De eigenschappen van bijvoorbeeld een supergeleider of een lichtgevend materiaal werden voorheen met vallen en opstaan verbeterd. Er werden steeds lichte wijzigingen in samenstelling en bereidingswijze aangebracht. Tegenwoordig kunnen er duizenden tegelijk worden getest. Was het vroeger 'trial and error', tegenwoordig is het niets dan trial en nauwelijks error, zoals het blad Scientific American schreef.

In zijn oorspronkelijke vorm maakt CC gebruik van minuscule harsbolletjes waaraan nieuwe moleculen worden gesynthetiseerd. Deze worden stap voor stap opgebouwd uit een beperkt aantal elementaire bouwstenen. Nadat de hars is verdeeld in evenveel porties als er bouwstenen zijn, worden de eerste chemicaliën aan de bolletjes 'vastgesmeed'. Daarna worden de reactiemengsels opnieuw gemengd en wordt alles weer verdeeld. Vervolgens wordt een tweede bouwsteen aan de eerste gekoppeld. Op deze manier neemt per stap het aantal nieuw gevormde moleculen exponentieel toe. Alle mogelijke combinaties van de bouwstenen worden hierbij gevormd. Als laatste stap worden alle productmoleculen getest op hun biologische activiteit. Door aan elk reactieproduct een unieke tracer toe te voegen, kunnen de meest actieve stoffen gemakkelijk worden geïdentificeerd.

De chip van Orchid maakt een nieuwe vorm van combinatoriële chemie mogelijk. De chip is zo groot als een visite-kaartje en bestaat uit twaalf laagjes glas, waar doorheen in de breedte en de lengte kanaaltjes lopen, die elkaar kruisen. Door die kanaaltjes kan van alles worden gepompt, van anorganische chemische verbindingen, tot cellen, hormonen, enzymen en micro-organismen toe. De chip kan dus ook biotechnologische doelen dienen. Het is een zeer veelzijdig laboratorium in zakformaat. Op die kruisingen - wells - komen de stoffen elkaar tegen en reageren. De huidige chip van Orchid telt 144 wells, maar het streven is een chip te maken die 10.368 miniscule wells bevat. Een chip is nu in staat in enkele uren 10.000 nieuwe chemische verbindingen te maken en die vervolgens te testen op biologische werkzaamheid. “Binnen niet al te lange tijd stellen we de chemici van SB in staat vijf miljoen verbindingen per jaar te testen,” aldus Dale Pfost, “dat is vijfhonderd keer zo veel als nu mogelijk is.”

    • Bram Pols