De wetenschap wordt kleiner. Van tweedimensionale nieuwe materialen tot nanorobots, veel van de nieuwste ontwikkelingen worden gemaakt op een schaal die onmogelijk te zien is met het menselijk oog.

De nieuwste techniek om dingen op microniveau door elkaar te schudden, is een manier om individuele levende cellen te vangen en te bestuderen om te proberen te begrijpen waarom ze slecht functioneren als ze ziek zijn. Tot nu, wetenschappers hebben dit gedaan met "microtraps" van elektrodes en zeer complexe netwerken van kanalen die in plastic chips zijn uitgehouwen.

Maar nu is er een manier om tot miljoenen cellen tegelijk te analyseren door ze in kleine water-in-oliedruppeltjes te plaatsen die niet veel groter zijn dan de cellen zelf. Dit zou de inspanningen om zieke cellen te identificeren enorm kunnen versnellen, nieuwe medicijnmoleculen of nieuwe manieren vinden om ziekte te diagnosticeren.

De tijd dat wetenschappers experimenten uitvoerden door chemicaliën in grote glazen kolven te mengen, is allang voorbij. Vandaag de dag, de tests worden uitgevoerd in bakjes met een aantal "microwells"-gaatjes, waardoor slechts enkele microliters (miljoensten van een liter) van elk monster nodig zijn. De moeilijkheid om veel kleiner te gaan is dat het moeilijk is om vloeistof op deze schaal te verplaatsen, omdat hele kleine druppels de neiging hebben om samen te klonteren of te verdampen.

Hoewel het potentieel van het inkapselen van afzonderlijke cellen al in de jaren vijftig werd geïdentificeerd, het druppelveld is echt in een stroomversnelling geraakt met de opkomst van fabricagetechnologieën die zijn geleend van de halfgeleiderindustrie.

De microdruppeloplossing is bedoeld om elke picoliter (een biljoenste van een liter) druppel water te scheiden en te beschermen door deze in olie te wikkelen. Om dit te doen, je voert het water en de olie door kleine buisjes in een "microfluïdisch" apparaat en dwingt ze elkaar te ontmoeten op een kruispunt waar ze samenkomen in individuele microdruppeltjes. Dit kan vele duizenden identieke kleine chemische reactoren per seconde creëren.

Andere microfluïdische apparaten kunnen worden gebruikt om te combineren, splits of sorteer de druppels, net zoals een wetenschapper op grotere schaal zou kunnen doen met een pipet. Speciaal samengestelde chemicaliën op het grensvlak tussen water en olie houden de druppels dagenlang stabiel.

Een cellulaire naald in een hooiberg vinden

Druppeltjes zijn een aantrekkelijke propositie om naald-in-een-hooiberg problemen aan te pakken, zoals het isoleren van zeer zeldzame cellen met een unieke mutatie of moleculaire samenstelling. Bijvoorbeeld, cellen van een tumor kunnen soms afbreken en door de bloedbaan circuleren, die mogelijk elders in het lichaam kanker kan veroorzaken (metastase). Het vinden van een manier om deze circulerende tumorcellen (CTC's) te detecteren, zou in wezen een update van het bloedonderzoek opleveren over de toestand van de kanker van een patiënt. Maar ze zijn erg moeilijk te vinden omdat ze voorkomen in concentraties van slechts één per 10 ml bloed. Door een microdruppeltechniek te gebruiken, kunnen artsen snel door de cellen van het bloedmonster van een patiënt kammen om een ​​CTC te vinden.

Microdruppeltechnieken kunnen zelfs helpen bij het opsluiten van DNA-moleculen samen met de eiwitten die door specifieke genen worden geproduceerd, zoals biokatalysatoren of enzymen die bepaalde chemische reacties in een levend organisme mogelijk maken. Dit betekent dat we zeldzame DNA-mutaties kunnen vinden die resulteren in efficiëntere biokatalysatoren, een proces dat gerichte evolutie wordt genoemd. Dit is handig omdat veel biokatalysatoren verantwoordelijk zijn voor reacties die nodig zijn voor industriële processen, van wassen met waspoeder tot het maken van biobrandstoffen.

Vandaag, het proces van het screenen van genenbibliotheken met miljoenen gecodeerde leden wordt steeds routinematiger. Een andere veelbelovende toepassing is het gebruik van omgevingsmonsters bij het zoeken naar moleculen die kunnen worden gebruikt als antibiotica of antikankermiddelen. Hetzelfde, onderzoekers kunnen verzamelingen antilichamen beoordelen in de hoop er een te vinden die als medicijn kan functioneren.

Microdruppeltechnieken hebben hun beperkingen. Bijvoorbeeld, kleine moleculen kunnen soms door de oliefase diffunderen, waardoor druppeltjes in feite lekkende compartimenten worden. Toch zijn er nog veel potentiële vorderingen te maken. Bijvoorbeeld, men kan zich echt gepersonaliseerde geneeskunde voorstellen, waarbij veel verschillende geneesmiddelen snel worden getest tegen veel verschillende patiëntencellen om te bepalen welke het beste kan worden voorgeschreven. Microdruppels zijn pas tien jaar gebruikt. Bedenk wat ze in de toekomst zouden kunnen bereiken.

Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation. Lees het originele artikel.