טכנולוגיות מיקרוזרימה

המעבדה של ד"ר ברקוביץ' מפתחת טכנולוגיות מעבדה-על-שבב חדשות למגוון שימושים, החל מבדיקות רפואיות ועד הגנה מפני טרור ביולוגי.

החל מניטור של זיהומים במים, דרך בדיקות גנטיות, ועד לגילוי סרטן, דיאגנוזה ביוכימית ורפואית הפכה לחלק בלתי נפרד מחיינו. לרוב, בדיקות אלו דורשות מעבדות מודרניות המצוידות במכשור רגיש והנסמכות על צוות מקצועי. עקב כך, מעבדות מסוג זה הינן יקרות לתפעול והצורך בהסעת דגימות, איסופן, תיוגן ודיווחן גורם במקרים רבים לזמן המתנה של מספר ימים בין מתן הדגימה ועד קבלת התשובה. יתר על כן, בחלקים נרחבים בעולם, ובפרט במדינות מתפתחות, התשתית הבסיסית (כגון מים זורמים ואספקת חשמל סדירה) הנדרשת למעבדות מסוג זה פשוט אינה קיימת.
"דמיינו שלכל אחד מאיתנו הייתה בכיס מעבדה כזו" אומר ד"ר מורן ברקוביץ', ראש המעבדה לטכנולוגיות מיקרוזרימה בטכניון. "זה אולי נשמע כמו מדע בדיוני, אבל דמיינו כיצד תיאור של יכולות הטלפון הנייד המודרני היה נשמע למישהו לפני 20 שנה". המעבדה של ד"ר ברקוביץ' מפתחת טכנולוגיות מעבדה-על-שבב חדשות למגוון שימושים, החל מבדיקות רפואיות ועד הגנה מפני טרור ביולוגי.

מיקרוזרימה הינה המדע והטכנולוגיה של זורמים בסקאלות קטנות. כאשר יורדים לגדלים של מיקרונים וננומטרים, הפיסיקה של הזורם משתנה באופן משמעותי. למשל, כוחות שטח וכוחות גוף חשמליים, שזניחים לרוב בסקאלות גדולות מתחילים להיות דומיננטיים. "אם נבין היטב את התהליכים הללו בסקאלה הקטנה זה יכול לאפשר לנו לא רק למזער תהליכים גדולים לגודל של שבב, אבל גם ליצור יכולות חדשות שכלל לא קיימות בסקאלות גדולות." התחום נמצא בגבול שבין מספר דיסציפלינות, וכולל צימוד חזק בין תחומים כגון מכניקת זורמים, שדות חשמליים, כימיה וביולוגיה. "האתגר הוא בלקשור הכל יחד, אבל זה גם מה שעושה את התחום כל כך מלהיב" אומר ד"ר ברקוביץ'.

במחקר שבוצע לאחרונה ע"י ד"ר מורן ברקוביץ' ושותפיו במסגרת תקופת הפוסט-דוקטורט שלו באוניברסיטת סטנפורד, הדגימו החוקרים את היכולת להאיץ פי יותר מ 10,000 גילוי של רצפי דנ"א. האצה זו מאפשרת לבצע בתוך מספר שניות גילוי הדורש באופן סטנדרטי מספר ימים. כדי להשיג זאת, עושים החוקרים שימוש בשיטה אלקטרופורטית הקרויה isotachophoresis (ITP), המרכזת מולקולות טעונות בהתאם למוביליות החשמלית שלהן. בכדי לבצע ITP החוקרים ממלאים תעלה מיקרונית בתמיסה המכילה יונים בעלי מובילות גבוהה מאוד (leading electrolyte, LE), וממלאים מאגר קטן המחובר לתעלה בתערובת של הדגימה יחד עם תמיסה של יונים בעלי מוביוליות נמוכה (trailing electrolyte, TE). כאשר מפעילים שדה חשמלי לאורך התעלה, יוני הדגימה נעים תחת השדה החשמלי ומצטברים באיזור צר, באורך של כ 10 מיקרון, בין ה LE וה-TE (ראו סירטון מצורף). "בדרך זו ניתן להעלות את ריכוז הדגימה במספר סדרי גודל" מסביר ד"ר ברקוביץ'.

"מה שהראנו זה שאם מרכזים שני חומרים מגיבים באותו מקום, אז מתקבל למעשה תא ריאקציה וירטואלי שבו הריכוז הגבוה מאיץ את הריאקציה" מסביר ד"ר ברקוביץ'. בכדי להדגים את יכולת השימוש של הטכניקה החדשה לצרכי דיאגנוסטיקה, החוקרים ריכזו מטרות DNA יחד עם חיישני DNA מולקולריים אשר פולטים אור פלורסנטי כאשר הם נקשרים לרצף מטרה מתאים. כפי שצפתה התיאוריה שפיתחו, הושג קיצור של זמן הגילוי מ 3.5 ימים ל 23 שניות.

"בינתיים הדגמנו את השיטה רק עבור DNA, אבל אנו מאמינים כי יש לה פוטנציאל אדיר בשיפור הרגישות והמהירות של מגוון בדיקות רפואיות" אומר ד"ר ברקוביץ'. "אנו ממשיכים לעבוד במקביל על פיתוח הבנה טובה ועמוקה יותר של תהליכי זרימה בסקאלות קטנות, על פיתוח כלים אנאליטיים וחישוביים למידול וחיזוי התופעות, והן על מינוף ההבנות האלה לטובת יצירת כלים ויכולות חדשות".

פרסומים קשורים:

• Bercovici, M., Kaigala, G.V., Mach, K.E., Han, C.M., Liao, J.C. & Santiago, J.G. Rapid Detection of Urinary Tract Infections Using Isotachophoresis and Molecular Beacons. Analytical Chemistry 83, 4110-4117 (2011).
• Garcia-Schwarz, G., Bercovici, M., Marshall, L.A. & Santiago, J.G. Sample dispersion in isotachophoresis. Journal of Fluid Mechanics 1, 1-21 (2011).
• Bercovici, M., Kaigala, G.V., Backhouse, C.J. & Santiago, J.G. Fluorescent Carrier Ampholytes Assay for Portable, Label-Free Detection of Chemical Toxins in Tap Water. Analytical Chemistry 82, 1858-1866 (2010).
• Bercovici, M. Open source simulation tool for electrophoretic stacking, focusing, and separation. Journal of Chromatography A 1216, 1008-1018 (2009).