Modré světlo, červené světlo

Je to domýšlivost typu Frankensteinova monstra, ale biolog Todd H. Rider ‘91, SM ‘91, SM ‘94, PhD ‘95 se nikdy nevyhýbal myšlence, že by mohl být šíleným vědcem. Ve skutečnosti to objímá. Jeho vzory byli divochí vědci z filmů, ti s renegátskými aspiracemi a neochotou stát na metodologickém obřadu. Dokonce si půjčuje jejich linky. Před jedním experimentem, který vyžadoval, aby přepnul vypínač, zakřičel: Dejte mému stvoření život!

Myslím, že jsem vyděsil spoustu lidí, říká teď.

35letý rodák z Arkansasu se specializuje na lov něčeho, co mnoho lidí považuje za děsivější než Frankensteinovo monstrum: smrtící bakterie a viry.

Rider a jeho tým z Lincoln Laboratory získali v červenci celostátní pozornost za svou práci na novém systému pro detekci potenciálně smrtelných patogenů, jako je antrax nebo legionářská choroba, které byly samy o sobě dlouho obávané, ale staly se ještě děsivějšími pro jejich možný výskyt. použití v biologických zbraních. Detektor vyvinutý společností Rider, známý jako buněčná analýza a oznamování rizik a výtěžků antigenu, neboli zkráceně Canary, využívá bílé krvinky – první obrannou linii těla proti chorobám – k testování látek na přítomnost určitých patogenů.

Na rozdíl od současných detekčních systémů, které používají reakce zesilující DNA, které mohou trvat hodinu nebo více, Riderova technika poskytuje informace během několika sekund. Vzhledem k tomu, že veřejnost je otřesena nad hrozbou biologické války a bioterorismu a města v karanténě kvůli rychle se šířícím virům, jako je SARS, potenciál detektoru poskytovat údaje na místě by mohl vést k řadě použití první reakce, od čtení hlen dodávaný záhadně nemocným návštěvníkem pohotovosti k testování bílého prášku krátce poté, co vyletěl z obálky. Rider také věří, že detektor lze upravit tak, aby vytáhl částice ze vzduchu, aby se zjistilo, zda byly na bitevní pole vypuštěny biologické zbraně.

Vyladění přirozené reakce

Příroda, říká Rider, již ukazuje, že bílé krvinky detekují patogeny. Když se protilátky na takové buňce navážou na virus nebo bakterii, spustí vápníkový signál. To způsobí, že se buňka vydá na válečnou stezku a bude bojovat s útočníky. Rider věřil, že pokud najde jednoduchý způsob, jak detekovat vápníkový signál, mohl by vyvinout senzor patogenů.

Je to chytré, říká Dr. David Relman, profesor Stanfordské univerzity, který studuje detekci patogenů. Miluji myšlenku kooptování biologického systému, který je již pevně nastaven pro rychlou reakci.

Ale když Rider poprvé začal pracovat na této myšlence, brzy po příchodu do Lincoln Lab v roce 1997, lidé nebyli tak vnímaví. Mnoho lidí v Lincoln Lab to nebralo příliš vážně, říká. Kromě toho Lincoln Lab neměla žádnou biologickou laboratoř. Takže mladý vědec-28 v té době, který byl po devíti letech na MIT v reálném světě pouhý rok, byl nucen najít místo na lavičce na akademické půdě, dokud nedokázal zkonstruovat bílou krvinku, která by odhalila vápníkovou reakci.

Rider našel ten prostor v laboratoři profesora biologie Jianzhu Chena. Chen, který se zabývá výzkumem imunologie, také pomohl Riderovi zajistit včasné financování od davu maskujících se a dýk, který financoval velkou část rozvoje Canary. Americká Agentura pro pokročilé obranné výzkumné projekty (DARPA), zdroj financování vědeckých projektů přidružený k armádě USA, se zajímala o detekci patogenů a Riderův tým se vydal do Washingtonu, aby provedl nakonec úspěšnou prezentaci.

S dostatečnými zdroji za sebou mohl Rider začít zkoumat protein, který dlouho považoval za slibný: ekvorin, který pochází ze zářící medúzy. Rovné vítězství a má dobře zdokumentovanou schopnost produkovat světlo v reakci na vápník. Rider použil elektřinu k vyfouknutí děr do bílých krvinek, které byly extrahovány z myši, a poté do těchto buněk vložil genetické instrukce medúzy pro výrobu ekvorinu. Teorie byla taková, že když se protilátky na povrchu buněk uzamknou na jejich patogenech, spustí se vápníkový signál, který aktivuje ekvorin a buňky se rozzáří modře. Toto modré světlo, i když není viditelné pouhým okem, by mohlo být měřeno luminometrem, který by poslal výsledky do počítače, který by vygeneroval údaje.

Do poloviny roku 1998 Rider naprogramoval buňky tak, aby emitovaly světlo v reakci na fosforylcholin-ovalbumin, bezpečný chemický záskok pro viry a bakterie. Ale princip byl stejný a tento počáteční úspěch propůjčil konceptu důvěryhodnost, kterou Rider potřeboval k pokračování.

On a jeho tým se poté přestěhovali zpět do Lincolnovy laboratoře a začali nakupovat protilátky proti patogenům, přičemž čerpali z celé řady choroboplodných bakterií a virů studovaných v jiných laboratořích. Po mnoha pokusech a omylech bioložka Martha Petrovick vyvinula novou verzi nástroje genetického inženýrství známého jako DNA vektor, který Riderovi a jeho týmu umožnil produkovat bílé krvinky s protilátkami na jejich povrchu, které reagují na specifické patogeny. Mezi ně patřil antrax, dýmějový mor, patogenní kmen E-coli chlamydie, neštovice a půl tuctu dalších virů a bakterií, které se obávají jejich potenciálně negativních účinků na veřejné zdraví nebo použití v bioteroristických zbraních.

Ale tým stále čelil jednomu zásadnímu problému: bílé krvinky a patogeny měly během testování problém se vzájemnou lokalizací. Reakce trvala příliš dlouho a signál z luminometru byl příliš slabý. Museli jsme vymyslet nějaký způsob, jak zrychlit a zviditelnit reakci, říká James Harper, PhD ‘98, zaměstnanec Lincoln Lab, který vedl hardwarové inženýrství pro Canary.

Řešením bylo použít centrifugu k odstředění buněčného materiálu vzorku směrem ke dnu jeho nádoby, přidat bílé krvinky a roztočit je dolů na vzorek, čímž se oba přinutily k vzájemnému těsnému kontaktu. To, co nyní trvalo minuty, trvalo sekundy.

V mnoha z těchto systémů je omezením hromadná doprava,“ říká Duane Lindner ‘72, zástupce ředitele pro programy chemie a biologie v Sandia National Laboratories v Livermore, CA, která vyvíjí vlastní systémy detekce patogenů. Trvá hodně času, než se tyto velké věci dostanou na sebe. Jejich práce ukázala, jak rychlé mohou být systémy.

Rychlé a jednoduché Možná?

Je to rychlost, kvůli které se vojenské i soukromé společnosti zajímají o potenciál nového detektoru. Ještě před teroristickými útoky z 11. září 2001 se armáda zajímala o něco, co by dokázalo analyzovat vzduch na biologické zbraně. Agentury veřejného zdraví také dychtily po něčem, co by mohlo rychle zkontrolovat zásilku potravin na E. coli. Nedávné obavy ze záhadných, pravděpodobně antraxem nasycených bílých prášků zasílaných přes americkou poštu a strach z rychle se šířících virů, jako je SARS, způsobily, že pohotovostní pracovníci a lékaři se zajímají o detekci patogenů stejně jako armáda.

Technologie používaná na Kanárských ostrovech je již blízko adaptabilní na mnoho z těchto použití, říkají její vývojáři, kteří se domnívají, že současný prototyp odstředivky, luminometru a počítače by mohl být součástí sady pro testování v terénu o velikosti kufru, za hardwarové náklady někde mezi 7 000 a 10 000 $.

Záměrně jej navrhujeme, aby se dal velmi snadno používat, říká Rider. Některé ze současných systémů využívají poměrně hodně školení. Chceme, aby byl použitelný pro armádní vojáky, zdravotnický personál, záchranné složky. Jednoduše přidáte vzorek do buňky a uvidíte, zda svítí.

Rider také vyvíjí to, co hravě nazývá obřím šnorchlem, který nasává částice ze vzduchu na citlivých místech a testuje je. Detekční buňky používané v zařízení nyní mohou přežít až dva týdny, než je bude nutné vyměnit. Ačkoli Rider nazývá buňky překvapivě odolnými, jiní říkají, že nejsou dostatečně odolné, zejména pro jeden hlavní cíl civilní obrany, systém, který bude autonomně sbírat vzorky ze vzduchu a testovat je na patogeny.

Ještě jiní se domnívají, že jeho proces je překonán konkurencí. Technologie detekce založené na DNA, i když nejsou tak rychlé jako Kanárské ostrovy, budou nakonec schopny testovat širokou škálu patogenů současně a dokonce odhalit genetické vlastnosti těch organismů, které nelze snadno identifikovat. Canary se příliš zaměřuje na konkrétní organismy, říká Calvin Chue, výzkumník z Centra pro civilní strategie biologické obrany v Johns Hopkins. Kdybych vám dal neznámý patogen, museli byste provést všechny své specifické rychlé testy. Protože by to mohlo zahrnovat tucet nebo více běhů, analýza již není tak rychlá. Dokonce i po dokončení vaší runy můžete mít stále na rukou neznámou věc a nemůžete předpokládat, že je neškodná.

Rider však doufá, že v budoucnu bude Canary schopen provádět jakoukoli analýzu, kterou dokážou konkurenční technologie založené na DNA. Mezitím Harper věří, že výhody rychlého čtení jsou zřejmé.

DNA je dobrá pro hledání jehly v kupce sena, když nevíte, co to je, říká Harper. Ale pokud jde o citlivost a rychlost, nezdá se, že existuje něco, co by se Canary vyrovnalo. Má potenciál u lůžka zjistit, zda má někdo bakteriální nebo virovou infekci, ještě předtím, než vstane a odejde [do] nemocnice. Není to dobré pro sledování toho, co se děje v tisících různých genech, ale je to dobré pro poskytování nejrychlejší a nejcitlivější odpovědi.

I když velká část prvotní motivace DARPA k financování projektu pocházela z jejího zájmu o využití reaktivních vlastností různých buněk k určení charakteristik neznámých patogenů, spíše než testování vzorků na ty, které jsou již známé, agentura zůstává s technologií spokojena. . DARPA je jedním z těch míst, kde nejste omezeni jedním tématem, říká Alan Rudolph, vědec dohlížející na projekt agentury.

To je dobrá věc pro Ridera, který měl potíže zůstat omezený na jediné téma v akademickém nebo výzkumném prostředí. Jeho doktorská práce se ve skutečnosti týkala fúzních reaktorů, ale při jejím dokončení migroval přes několik nezletilých – včetně biomedicíny. K mikrobiologii se obrátil poté, co jeho disertační práce prokázala problémy s různými fúzními reaktory, díky čemuž je, jak připouští, v reaktorovém byznysu poněkud nepopulární.

Některé lidi jsem naštval, a tak jsem se rozhodl přejít do jiného oboru, říká Rider. Měl jsem štěstí, že jsem vystudoval biomedicínu.

Dr. Frankenstein by mohl souhlasit.

skrýt