Направи дарение на училище!

Списъкът с победители от тази година празнува както големи скокове, така и малки (но значителни) стъпки в научната технология.

Често иновациите се развиват постепенно. Все пак, дори големите, дръзки нови идеи имат болтчета и гайки, които могат да бъдат безкрайно навивани и развинтвани, за да се подобри работата, изпълнителността и полезността на идеята. Топ 10 иновациите за тази година включват смели нови платформи, които изглеждат готови да подпомогнат откритията във фундаменталната биология, разработването на нови лекарства и клиничните лаборатории. Но списъкът съдържа и продукти, които ни напомнят колко важни са детайлите в света на природните науки.

Например, синтетичните биолози с нетърпение очакват развитието на подобрени CRISPR-Cas9 насочващи РНК и нуклеази, подпомагащи още по-ефективни и прецизни геномни редакции. Както самата биология, технологиите, които обслужват изучаването ѝ, са повече от сбора на съставните им части.

Струва си да споменем и практичните клинични иновации, които стигнаха до тазгодишния Топ 10 на The Scientist. Синтетична бъбречна тъкан, която подпомага изучаването на този орган в петриева паничка и специални панели, които определят количеството на множество биомаркери в различни проби, обещават не само да подобрят работата в лабораториите, но и да променят живота на пациентите в клиниките. Постижения като тези ни напомнят, че иновациите и скоростта, с която се появяват, служат не само на производителите, предприемачите и академиците – те могат да служат на човечеството.

Разбери повече за БГ Наука:

***

От машина, която позволява Уестърн блот само с една налична клетка, до микрофлуидно устройство, което оптимизира масспектрометрията, тазгодишните Топ 10 на научните иновации са истински празник на „преобразуващите” постижения в науката, големи или малки.

1. Milo – ProteinSimple

Едноклетъчният Уестърн блот вече може да бъде закупен. Разработен от лабораторията на Amy Herr в Калифорнийския университет, Бъркли, Milo е настолен инструмент, който позволява на изследователите да изследват специфични белтъци в около 1000 индивидуални клетки едновременно. Потребителите слагат с пипета клетъчна суспензия върху микроскопско стъкло, широко от 2,5 см до 7,5 см, чиято повърхност е покрита със слой гел с дебелина от 30 микрона, върху който са разпложени 6400 микроямки. Докато клетките се разполагат в гела, някои ямки остават празни, но около 1000 от тях ще приемат единични клетки за анализ. Тогава изследователите добавят реагенти, за да лизират химично клетките и да денатурализират протеините. След това прилагат електрическо поле, което да издърпа протеините в празното пространство между ямките и UV светлина, за да активират химикалите в гела, които заключват протеиновите ивици на мястото им.

„Хората, които правят конвенционални Уестърни не могат да видят хетерогенността (на пробата си), защото виждат цялата маса“, казва Kelly Gardner от лабораторията на Herr,  маркетингов директор на ProteinSimple. „Milo дава достъп за идентифициране на субпопулациите“. Описание на технологията е било публикувано за пръв път през юни 2014 година и силният интерес от общността на учените накарало Herr, Gardner и техния колега Josh Molho да се насочат към Zephyrus Biosciences, който бил придобит от главната компания на ProteinSipmle Bio-Techne през март. Компанията отказа да издаде точната цена на Milo, но отбелязва, че тя е сравнима с тази на настолен флоуцитометър и че заинтересуваните учени могат да попитат през сайта. Компанията не може да осигури и коментари на потребителите, защото продуктът е твърде нов.

2. Organovo – човешка бъбречна тъкан (ExVive Human Kidney Tissue)

Решаващ етап от разработката на лекарствата е изследването на това дали изпитваното съединение уврежда бъбреците, но съществуващите клетъчни култури и животински модели наподобяват само приблизително човешките бъбреци. Тъканта от човешки бъбрек ExVive HKT от Organovo е реплика на проксималния бъбречен тубул, създаден чрез 3D биопринт. Тя предоставя на създателите на лекарствата надеждно средство за тестване на бъбречна токсичност.

В момента само няколко предклинични теста могат да определят дали потенциалното лекарство е токсично за хората, което прави инвестирането в клинични тестове рисковано. По-ранното определяне на бъбречната токсичност редуцира риска. Още по-важното е, че „наистина говорим за предотвратяването на увреждане при пациентите, които участват в клиничното изпитване“, казва Sharon Presnell от Organovo.

Биопринтът действа на принцип, подобен на синтетичния 3D-печат, обяснява Presnell, но „вместо да слагаме частици полимер в принтера, ние слагаме малки агрегати от клетки“. Organovo, който спечели място и в Топ 10 иновации за 2014 година за своята ExVive чернодробна тъкан, произвежда тъканни проби при сключен договор, а цената може да варира според броя и вида на пробите, които клиентът изисква.

Репликата на бъбречна тъкан може да бъде прилагана и извън токсикологията, като платформа за експерименти върху бъбречна тъкан, които не биха могли да бъдат направени по друг начин, казва Presnell.

3. Pacific Biosciences – The Sequel System

По-малко от една трета от размера и теглото – и на половин цена от оригиналния long-read секвенатор на Pacific Biosciences – The Sequel System е последното предложение на компанията за секвениране в реално време на единствена молекула (SMRT).
В сравнение със стария SMRT секвенатор, наречен PacBio RS II, Sequel, който дебютира миналата есен, е „по-висококачествена версия на SMRT секвенирането, като позволява по-бързо генериране на повече информация и се справя с по-големи геноми и с биология, изискваща по-голяма молекулярна дълбочина, както и метагеномни проби, за същото време“, казва Robert Sebra от Медицинското училище с Маунт Синай, Ню Йорк Сити, който използва системата от декември 2015 година.
Sebra, който работел в PacBio от 2007 до 2012 година, е използвал SMRT технологията за различни цели през последните 6 години, включително секвениране на човешкия геном де ново.
Sequel е особено полезен за метагеномни проучвания и изследвания на инфекциозни заболявания. Наскоро е бил използван за произвеждане на референтна геномна последователност на един кореец, казва Jonas Korlach, един от изобретателите на SMRT секвенирането.
С цена от 350 000 долара, повече лаборатории биха могли да си позволят секвенатора PacBio. „Сега SMRT секвенирането е за всеки“, казва Korlach.

4. Axion BioSystems – Lumos

Axion BioSystems правят ин витро оптогенетиката по-прецизна и по-възпроизвеждаща от всякога, благодарение на новата светлинна система на Lumos. Апаратът съдържа 24 ямки, всяка с по 4 контролирани LED светлинки, които могат да проблясват с различна дължина на вълната в синьо, зелено, оранжево и червено, с микросекундна прецизност. Когато са позиционирани над плака с клетъчни култури, а под ямките на плаката е разположен регистратор, установката позволява на изследователите прецизно да симулират, манипулират и измерват разнообразие от култивирани клетки.
Генетикът David Goldstein е готов да използва Lumos в лабораторията на Колумбийския университет, за да изследва поведението на култивирани човешки невронални мрежи с мутации, които причиняват различни форми на епилепсия.
Култивираната невронална мрежа често синхронизира синаптичната си активност, което понижава количеството информация, което експериментаторите могат да извлекат от поведението им. „За да разкрием по-сложното поведение, което може да покаже ефектите от мутациите, ние искаме да настройваме активността в мрежите, докато наблюдаваме отговора“, казва Goldstein и добавя, че очаква данните от Lumos да пристигнат в рамките на следващата година. „Системата ни позволява да направим точно това.“
Lumos струва 25 000 долара.

5. Thermo Fisher Scientific – LentiArray CRISPR библиотеки

Лесна за използване, техниката CRISPR-Cas9 често е възхвалявана като технологията, която ще демократизира генното редактиране. Новите LentiArray CRISPR Библиотеки на Thermo Fisher Scientific , представени през септември, правят използването на техниката като инструмент за скринингови анализи още по-достъпно за изследователите. Компанията е създала реагенти, които елиминират гени, един по един, чрез CRISPR, когато бъдат приложени върху разнообразие от човешки клетки – от HeLa до индуцирани плурипотентни клетки.
Simone Sredni от Северозападния университет, която изучава агресивния детски рак, наречен рабдоиден тумор, участвала в бета тестване на библиотеките чрез скрининг на ефектите от мутиралите 160 кинази в туморните клетки на пациента, за да открият онези, които са засегнали клетъчната пролиферация и растеж. Нейната предварителни данни дошли след 3 месеца и тя идентифицирала някои кинази, чието увреждане наистина потискало растежа. „Случи се много бързо“, казва тя, тъй като ѝ отнело малко повече от година да стигне до момента, в който да изследва инхибитори на киназите ин виво в животински модели. „Това беше нещо, което нямаше да мога да открия, ако не беше скринингът.“
„Това е не само най-ефективната скрининг технология на пазара, но ни дава и много свобода на действие в създаването на различни експерименти за разнообразни приложения“, казва Jon Chesnut, старши ръководител на научно-изследователския отдел по синтетичната биология в Thermo Fisher Scientific.
Цената от 10 000 долара за библиотека може да е малко висока, казва Sredni, но за лаборатории, които правят високопроизводителен скрининг, може и да си струва.

6. NanoString Technologies – nCounter Vantage 3D панели

През 2008 година, когато NanoString дебютира със своята nCounter система – автоматичен микроскоп, който разчита цветни баркодове, закачени за целевите молекули – планът бил да се развие технологията от определяне на количеството иРНК до броене на ДНК секвенции и протеини. Тази година, компанията постигна своята цел и демонстрира своите nCounter Vantage 3D панели.
„Анализите Vantage вече позволят дигиталното преброяване на иРНК, ДНК, белтъци и дори статусът на фосфорилиране на белтъците едновременно“, казва Joe Beechem – старши вицепрезидент на NanoString R&D. През април, NanoString пуска първия Vantage анализ, създаден за дигитално преброяване на РНК в проби от рак на белите дробове и левкимия; белтъци, свързани с биологията на солидните тумори и сигнализацията между имунните клетки, както и единични нуклеотидни вариации в ДНК.
Gordon Mills, ръководител на Департамента по системна биология в Тексаския университет „MD Anderson“, Център за рак в Хюстън, помогнал за развиването на панелите Vantage и ги използва в Института за персонализирана ракова терапия MD Anderson’s Zayed, на който е ръководител.
„Има много платформи, които могат да бъдат занесени в лабораторията за изследване на човешки проби“, казва той. „Но нито една от тях, освен nCounter Vantage системата, няма устойчивостта, лекотата на употреба и възможността да прави проби на РНК, ДНК и белтъци едновременно.“
Аналитичната система nCounter варира от 149 000 до 280 000 долара, а nCounter Vantage панелите предлагат цена от 275 долара на проба. В близко бъдеще NanoString и лабораторията на Mill планират да изготвят нови Vantage панели, които добавят аспекта на измерването на пространствената ориентация на молекулярните компоненти в рамките на една клетка.

7. 908 Devices – ZipChip

ZipChip е микрофлуидно устройство, което радикално ускорява масспектрометрията, изисква минимално количество проби и разширява диапазона от материали, с които масспектрометрията може да се справя. Малката кутия, по-къса от 30 см, се монтира директно върху масспектрометъра и действа като обработва проби чрез микрофлуиден чип с размера на предметното стъкло на микроскоп.
Обикновено подготвянето на проби за масспектрометрия отнема време и лесно се допускат грешки. ZipChip намалява възможните усложнения. „… Можем да анализираме проби без почти никакви грешки, дори те да съдържат соли, детергенти или различни матрици“, казва Chris Petty, съучредител на 908 Devices, създател на ZipChip.
ZipChip използва капилярна електрофореза, като разделя компонентите на пробите само за 2-3 минути, докато на течните хроматографски колони им е необходим час, казва Petty. Устройството осигурява по-добро разделяне на проби, като белтъци, антитела и лекарствени съединения с антитела, които са трудни за отделяне с други техники, според Petty. Освен това има нужда от само няколко нанолитра материал. Устройството струва 30 000 долара. Ако се добави и автоматичен дозатор, цената се вдига с 20 000.
Michael Pacold, който се занимава с метаболомика в Нюйоркският университет, казва, че интегрирането на прототип на ZipChip в лабораторията му, позволило да се захваща с повече проекти, защото така може да събира данни по-бързо и от повече източници. „Много от клиничните изследвания позволяват да се вземат само няколко микролитра плазма от банката“, казва той. „Без устройство като ZipChip тези изследвания не бяха възможни. А сега са.“

8. Horizon Discovery – Turbo GFP Tagged HAP1 клетки

За трета поредна година клетките HAP1 на Horizon си заслужиха място в Топ 10 иновации на The Scientist. През октомври 2015 година Horizon стартира своите Turbo GFP Tagged HAP1 клетки, които стигнаха тазгодишният списък заради способността изследваните белтъци да се бележат флуоресцентно, без да е необходимо генът да се свръхекспресира.
Daniella Steel от Horizon казва, че едно от основните предимства при използването на тези клетки пред белязването с антитела е простотата. „За разлика от антителата, тук няма нужда от валидация или оптимизация и можеш да визуализираш тези клетки на живо.“
Emma Lundberg от Кралския технологичен иститут в Швеция наскоро получила партида от клетките за работата ѝ по проекта Human Protein Atlas. Тя отговаря за картографирането на субклетъчните местоположения на белтъците, като използва конфокална микроскопия и казва, че свръхекспресията може понякога да доведе до изкуствено предизвикване на промени или неправилно определяне на местоположението на белтъка. „Хубавото е, че знаеш къде си го отбелязал и там се изразява на ендогенно ниво“, казва тя.
Направените по поръчка клетки струват 3 400 долара и са необходими около 16 седмици, за да се развият. Horizon създават и колекция от клетъчни линии, които отбелязват локацията на белтъците в определени органели (тези струват по 1 450 долара). Lundberg казва, че цената е разумна, като се има предвид колко време би отнело на лабораторията да си създаде и отгледа сама клетки.
9. Photometrics – Prime sCMOS камера

С модерните микроскопи, изследователите се обръщат към високоскоростни камери, които да им помагат при улавянето на изображения на пробите им. „Всяка година, тези камери стават все по-добри и по-добри“, казва Rachit Mohindra, управител на продуктите в Photometrics – компания, специализирана в камери за микроскопи и други системи за получаване на изображения с научни цели. „Те са на практика перфектни.“ Да подобриш съвършенството е трудно, признава той, но мисли, че с колегите му са направили точно това със своята 4,2 мегапикселова Prime sCMOS камера. Излязла в началото на 2016 година, камерата има вграден алгоритъм, който да намали шума при снимането – отклоненията са присъщи при измервания, направени със светлинни микроскопи – без да е нужно да се правят много допълнителни снимки и след това да се избира средна величина сред тях, или да се увеличава яркостта на светлината, което може да повреди пробите. „Така си способен да поддържаш ниски нива на светлина, като по този начин да поддържаш клетките живи за по-дълго и така получаваш по-добри данни“, казва Mohindara. Камерата Prime подобрява съотношението сигнал-шум от три до пет пъти, добавя той, което е „еквивалентно на това да може да намалиш светлината 10 пъти.“
Вграденият алгоритъм на камерата Prime sCMOS намалява и общото количество данни, които изследователят трябва да събере, като ускорява времето за обработката и анализа им. „Нужни са около 30 секунди за обработка на кадър, ако го правите офлайн“, казва Mohindara. „Когато имаш камера, която прави 100 кадъра за секунда, това са 5 минути за данни от 1 секунда“. Но с камерата Prime, казва той, изследователите могат да обработят информацията моментално.
„Филтрирането в реално време и високите честоти на кадрите на камерата Prime sCMOS на Photometrics ни позволява да уловим кадри с още по-голяма резолюция от микроскопите и по-добре да характеризираме разнообразието в структурата на хроматина“, казва Kyle Douglass от École Polytechnique Fédérale de Lausanne в Швейцария. Камерата Prime sCMOS струва 15 950 долара.

10. Thermo Fisher Scientific – GeneArt Platinum Cas9 нуклеаза

Заедно със своите LentiArray CRISPR библиотеки, друга стрела в колчана на Thermo Fisher Scientific от CRISPR реагенти достига до Топ 10 иновации – GeneArt Platinum Cas9 нуклеазата. Рекомбинантният Streptococcus pyogenes Cas9 белтък, пречистен от E. Coli – GeneArt Platinum Cas9, съдържа нуклеарен локализационен сигнал, който помага при доставката до ядрата на набелязаните клетки.
„Нещата, които знаехме, че са важни, бяха постоянното качество, активност и чистота“, казва Jason Potter, старши учен в Thermo Fisher и ръководител на R&D отдела за инструменти за редакция за генома и синтетична биология. „Така че се подсигурихме, чрез продължително тестване, да имаме стабилен процес на пречистване.“
Екипът на Potter в Thermo Fisher публикува доклад миналата година, с който показва, че GeneArt Cas9 е постигнала ефикасност на пречистването до 85% в разнообразие от клетъчни линии.
Matthew Porteus, клетъчен биолог от Станфордския университет, използва GeneArt Platinum Cas9 в своите изследвания на ex vivo генно редактиране, за да лекува кръвни заболявания – изследване, което в момента извършва с миши клетки, но си партнира с Thermo Fisher, за да премине към клинично тестване. Докато използването на системата CRISPR/Cas9 е ефикасен и специфичен начин да се постигне геномно редактиране, „проблемът ни беше с това, че в ранните подготовки на белтъка Cas9, които бяха комерсиално налични, имаше токсини“, казва той. „GeneArt Platinum Cas9 се превръща в златния критерий за протеин, който ни позволи да правим експерименти, които ни дадоха резултати, непостигнати от никой друг реагент.“
Флакон от 25 μg GeneArt Platinum Cas9 нуклеаза струва 150 долара, а клиентите могат също да се свържат с експертите в Thermo Fisher, които могат да помогнат с експериментите или да изготвят протоколите. „Трика при геномното редактиране е да хванеш хората за ръка и да им кажеш точните пипетни схеми и точно какво трябва да се направи, за да е успешно“, казва вицепрезидентът на Thermo Fisher и ръководител на отдела по синтетична биология, Helge Bastian.

Превод: Никол Николова

Източник: The Scientist

Вземете (Доживотен) абонамент и Подарете един на училище по избор!