Het laboratorium krimpt!

De chemicus ziet zijn instrumentarium steeds kleiner worden. Pompjes, kleppen, chromatografen, het past inmiddels allemaal op een enkele chip. Daarmee is dna, lucht of voedsel te analyseren.

TALLOZE kanaaltjes, een minuscuul bad waarin de temperatuur oploopt tot 50 graden Celsius, lichtdetectoren, temperatuursensoren, een unit waar DNA-moleculen worden gescheiden. En dat allemaal op een chip van 47 millimeter lang, 5 millimeter breed en 1 millimeter hoog. Dit apparaatje om DNA te analyseren is ontwikkeld door onderzoekers van de University of Michigan (Science, 16 oktober 1998) en is een sprekend voorbeeld van een nieuwe trend in de chemie: integratie van verschillende instrumenten voor chemische analyse op een enkele chip.

Science rekende de ontwikkeling van dergelijke chips tot de top-tien doorbraken van 1998. En Nature Biotechnology had het vorig jaar over een ``revolution on a square centimeter''. Enigszins opscheppend wordt er ook wel eens over `lab-on-a-chip' gesproken, alsof er een heel laboratorium op een chip is ondergebracht. Maar dat is niet zo, zegt prof.dr. P. Bergveld, hoogleraar Technologie der biosensoren aan de TU Twente. ``Dat is een fancy naam waar veel reclame achter schuilt. Ik spreek liever van Micro Total Analysis Systems, of microTAS. Je doet een chemische analyse op een chip waar verschillende instrumenten op zitten. Voorheen waren die elementen gescheiden en kostte de bepaling veel meer tijd.''

Neem de DNA-analyser die werd ontwikkeld aan de University of Michigan. Het moet een genot voor elke laborant zijn om met dat apparaatje te kunnen werken. Vroeger moest hij veel handmatig werk doen bij de analyse van DNA. Nu hoeft hij alleen maar wat DNA op de chip te brengen en die doet de rest. Eerst pompt de chip het DNA via een kanaal naar een reservoir. Via een ander kanaal komen daar ook enzymen in terecht die het DNA in stukken knipt. De DNA-brokstukken komen daarna in een bad met een temperatuur van 50 graden Celsius en vervolgens belanden ze bij de elektroforese-unit waar ze op grootte worden gescheiden. Er ontstaat een bandjespatroon. Een fotodiode leest het patroon af en stuurt de gegevens door naar een computer. Uit het patroon haalt de laborant zijn informatie, bijvoorbeeld of de patiënt waar het DNA vandaan komt een erfelijke ziekte heeft.

De chemie volgt met deze trend de elektronica-industrie, waar de miniaturisatie al lang geleden heeft ingezet. ``Vroeger namen computers een hele kamer in beslag. De integratie van allerlei onderdelen op een chip is daar al heel gewoon'', zegt Bergveld. ``De chemie gaat dezelfde kant op. Waar je eerst een instrument ter grootte van een koelkast voor nodig had, kun je nu toe met een chip die niet groter is dan een postzegel. Pompjes, kleppen, reservoirs, chromatografen, elektroforese-apparaten, ze hebben steeds kleinere afmetingen.''

ETSEN

De chemici maken bij het construeren van hun chips handig gebruik van de technieken die in de elektronica-industrie zijn ontwikkeld. Het gaat voornamelijk om fotolithografie en etsen. Zo bevat de Amerikaanse DNA-analyser een ingewikkeld patroon van kanaaltjes waar de vloeistoffen doorheen stromen. Deze kanaaltjes zijn in een glazen plaatje geëtst. Daarna werd op hetzelfde patroon aluminium gedampt. Om vloeistofadsorptie aan de wand van de kanaaltjes te voorkomen, kregen de kanalen nog een behandeling met een eiwitoplossing. De elektroden werden gemaakt van titanium en platinum. De verwarmelementen voor het mini-badje bevatten onder andere chroom en goud. Op sommige plaatsen op de chip was een afscheiding nodig om te voorkomen dat verschillende vloeistoffen per ongeluk bij elkaar zouden komen. Daarvoor bouwden de Amerikanen op de gewenste plekken kleine muurtjes, gemaakt van een polymeer.

In deze chip werden de vloeistoffen trouwens op een speciale manier voortgestuwd. Normaal gebeurt dat via het aanleggen van een goed gekozen spanning. De gebruikte vloeistof wordt dan gedwongen om in de gewenste richting te bewegen. Om te voorkomen dat vloeistoffen weer terugstromen zodra de spanning wegvalt, kunnen er micro-klepjes worden aangebracht. De onderzoekers van de University of Michigan maakten echter gebruik van luchtdruk om de vloeistoffen door de kanalen te pompen. Op sommige plekken in de kanalen brachten de ingenieurs een waterafstotende stof aan. De vloeistof komt vlak voor deze stukken tot stilstand. Een korte luchtstoot duwde de vloeistof druppelsgewijs voorbij het waterafstotende gedeelte. Door de luchtdruk te variëren konden de onderzoekers de grootte van de druppels beïnvloeden. Via hun aanpak slaagden ze er in om druppeltjes van minder dan een nanoliter (een nanoliter is een miljoenste milliliter) door de kanaaltjes te blazen. ``Zo kun je heel zuinig met je materiaal omgaan'', aldus Bergveld.

De ontwikkeling van microTAS begon zo'n zes jaar geleden op gang te komen. In 1993 meldden onderzoekers van de University of Alberta dat ze glazen chips hadden gemaakt waarmee ze binnen een mum van tijd grote hoeveelheden aminozuren – de bouwstenen van eiwitten – konden analyseren (Nature, 13 augustus 1993). Ze deden hun werk samen met het Zwitserse farmaceutische en chemische bedrijf Ciba-Geigy. De onderzoekers toonden aan dat het mogelijk moest zijn om vloeistoffen te mixen, scheiden en analyseren op één chip.

BROKSTUKKEN

Inmiddels is het zover dat bijvoorbeeld een heel PCR-apparaat op een chip past. Via de PCR (polymerase kettingreactie) is het mogelijk om een uniek DNA-fragment selectief te vermenigvuldigen tussen een poel van miljoenen verschillende DNA-brokstukken. De ontwikkeling van de gentechnologie raakte in een stroomversnelling door de PCR-techniek. De eerste apparaten bestonden nog uit verschillende onderdelen. De moleculair bioloog moest zijn DNA-monsters steeds van het ene onderdeel naar het andere overhevelen, vaak op de seconde precies. Latere generaties waren al gebruiksvriendelijker en kleiner, maar de onderzoekers van het Zeneca/SmithKline Beecham Centre for Analytical Sciences in Londen hebben vorig jaar toch wel iets speciaals voor elkaar gekregen. Ze maakten een PCR-apparaat op een glazen chip. De chip bevat een kanaal waar de vloeistof met DNA door wordt gepompt. De vloeistof komt in zones terecht die een constante temperatuur hebben van achtereenvolgens 95, 77 en 60 graden Celsius. Deze zones zijn nodig om de DNA-dubbelstrengen uit elkaar te krijgen en daarna te vermenigvuldigen. Het DNA komt 20 keer door deze drie zones en dat levert voldoende DNA op voor de uiteindelijke analyse. De onderzoekers slaagden er in om een gen van de bacterie Neisseria gonorrhoeae te isoleren, te vermenigvuldigen en zijn aanwezigheid aan te tonen.

De toepassingen liggen op dit moment hoofdzakelijk op het gebied van genetische analyses. Stuwende kracht achter deze ontwikkeling is het Humaan Genoom Project. Over een aantal jaren is het menselijk genoom in kaart gebracht. Het aantal tests voor erfelijke afwijkingen groeit. Farmaceutische industrieën richten hun strategie steeds meer af op de ontwikkelingen in de genetica. Ze willen naar een situatie waarin de medicatie wordt afgestemd op het genetisch profiel van de patiënt. En dat profiel moet snel geanalyseerd kunnen worden.

AMMONIAK

Naast genetische analyses zijn er veel meer toepassingen te bedenken. Een milieukundige zou de ammoniakconcentratie in de lucht kunnen meten. Waar nu nog een auto vol instrumenten voor nodig is, voldoet straks een enkele chip. Twentse onderzoekers ontwikkelen een dergelijke chip, in samenwerking met het ECN in Petten. Een andere toepassing: een medicus zou bloed kunnen onderzoeken op de aanwezigheid van micro-organismen. Bij het bedrijf Nanogen Inc. in San Diego werd een chip ontwikkeld die de bacterie Escherichia coli kan aantonen in bloed. De chip scheidt bloedcellen van eventuele micro-organismen. De bacteriën worden vervolgens kapot gemaakt zodat eiwitten, DNA en RNA vrij in oplossing komen. Een test die E.coli-DNA aantoont, bevestigt uiteindelijk de aanwezigheid van de bacterie. Zo'n chip zou ook makkelijk aangepast kunnen worden voor het testen van voedingsmiddelen op schadelijke micro-organismen. Een chip zou ook als medicijn-afgiftesysteem kunnen werken. Inmiddels werken chemisch technologen van het Massachusetts Institute of Technology in Cambridge aan zo'n chip. Het silicium-plaatje wordt bij een patiënt geïmplanteerd en geeft daar zeer geleidelijk een medicijn af (Nature, 28 januari 1999). Belangrijk probleem hierbij is dat de chip snel een immuunreactie uitlokt.

Ondanks alle enthousiaste geluiden waarschuwde het blad American Biotechnology Laboratory vorig jaar voor overspannen verwachtingen. Schaalverkleining is niet voor alle onderdelen mogelijk. Dat zie je ook in de computerindustrie. De grootte van het toetsenbord is gebonden aan de maat van onze vingers. Bovendien is het niet altijd gunstig dat je met een heel klein volume toe kunt. Om een micro-organisme in het bloed op te sporen is het nodig om een groot volume te onderzoeken. Een oplossing zou zijn om de eventueel aanwezige micro-organismen eerst via een extra handeling te concentreren in een kleiner volume. Verder kan het opwarmen van vloeistoffen leiden tot ongewenste verdamping, en soms werken kleppen niet zoals gewenst. Bergveld erkent dat er ook veel problemen zijn bij de verwerking van alle gegevens. Bergveld: ``De chip verricht zoveel metingen in zo'n korte tijd, hoe detecteer je dat allemaal? De huidige sensoren zijn daarvoor niet gevoelig genoeg. Daar moeten we over na gaan denken.''