Koniec świata laboratoryjnej kolby

Za sprawą polskich naukowców kolby chemiczne i nieporęczne chemostaty do hodowania bakterii mogą już wkrótce odejść w przeszłość. Badacze z Instytutu Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk w Warszawie jako pierwsi na świecie skonstruowali układ mikroprzepływowy, pozwalający kontrolować łączenie, transport i dzielenie mikrokropel. Dzięki niemu można prowadzić jednocześnie setki różnych hodowli bakterii, co przyspieszy np. prace badawcze nad nowymi antybiotykami.

Nie ma przesady w stwierdzeniu, że bez kolby chemicznej chemia nie mogłaby istnieć. Chemicy od lat marzyli jednak, by operacje dolewania, mieszania i odlewania - łatwe do wykonania z dużymi ilościami substancji wewnątrz kolb - można było realizować także w skali mikro. Pierwszy taki układ, zdolny do przeprowadzenia wszystkich typowych operacji z substancjami chemicznymi został skonstruowany właśnie teraz.

Urządzenie, zbudowane przez grupę naukowców z Instytutu Chemii Fizycznej PAN w Warszawie, kierowaną przez dr. hab. Piotra Garsteckiego, jest tak precyzyjne, że w pojedynczych mikrokroplach można nie tylko prowadzić ściśle kontrolowane reakcje chemiczne, ale nawet hodować kolonie bakterii. Prace naukowe opisujące właśnie układ do hodowli bakterii zostały opublikowane w jednym z najbardziej prestiżowych czasopism chemicznych, "Angewandte Chemie International Edition".

Układy mikroprzepływowe buduje się z płytek polimerowych o rozmiarach porównywalnych do karty kredytowej lub mniejszych. Wewnątrz układów, przez kanaliki o średnicach rzędu dziesiątych lub setnych części milimetra, płynie laminarnie ciecz nośna (najczęściej olej), w której unoszą się mikrokrople właściwych substancji. Za pomocą jednego układu mikroprzepływowego można przeprowadzić nawet kilkadziesiąt tysięcy różnych reakcji chemicznych dziennie.

Dotychczasowe układy mikroprzepływowe miały poważną wadę: nie pozwalały prowadzić i kontrolować długich procesów, wymagających dokonywania tysięcy operacji na każdej z setek mikrokropel. Ograniczenie uniemożliwiało choćby długotrwałą hodowlę mikroorganizmów, w których otoczenie trzeba regularnie doprowadzać substancje odżywcze oraz usuwać z niego produkty przemiany materii.

Zbudowany przez nas układ mikroprzepływowy jako pierwsze tego typu urządzenie na świecie pozwala do każdej z setek krążących w nim mikrokropel dodawać i z każdej pobierać precyzyjnie odmierzoną ilość płynu - stwierdza dr Garstecki. Mikroukład z IChF PAN składa się z dwóch odnóg mikrokanałów, ułożonych w gęste zygzaki. W kanalikach, w odległości około centymetra jedna od drugiej, może krążyć nawet kilkaset kropel, które przemieszczają się wahadłowo z jednej odnogi do drugiej.

W drodze między odnogami kropelki przepływają przez układ kanałów, w którym możemy z każdej z nich pobrać odrobinę płynu - lub odrobinę dodać, zależnie od potrzeb. Jako jedyni potrafimy to zrobić niezależnie od kierunku ruchu kropli, dzięki odpowiednim zmianom przepływów na skrzyżowaniach mikrokanałów - podkreśla dr Sławomir Jakieła (IChF PAN). Każda z kropel krążących w układzie mikrofluidycznym ma przy tym własny, unikatowy identyfikator, przyporządkowany przez układ optoelektroniczny. Dzięki temu naukowcy w każdej chwili mają kontrolę nad tym, jakie operacje na każdej z nich przeprowadzono.

Możliwość hodowania bakterii w pojedynczych mikrokroplach przez czas liczony w dziesiątkach i setkach godzin, wymagający wielokrotnej wymiany pożywki, ma ogromne znaczenie praktyczne dla medycyny. Dzięki takiemu układowi można znacznie przyspieszyć badania nowych antybiotyków. Typowe chemostaty do hodowania i badania bakterii mają wielkość kilkulitrowych bioreaktorów, są więc duże i nieporęczne. Wymagają przy tym sporej liczby połączeń, mieszadeł, zasilania. Kłopoty sprawia ich czyszczenie z biofilmów tworzących się na ściankach. W przypadku hodowania bakterii w naszych mikrokroplach wszystkie te problemy znikają - podkreśla doktorant Tomasz Kamiński (IChF PAN).

Rozwiązania związane z dzieleniem mikrokropel, opracowane przez naukowców z IChF PAN przy budowie nowego mikroukładu, są objęte patentami międzynarodowymi.

_{Na podstawie informacji prasowej IChF PAN.}