Med ny teknik kan forskere lave over 40.000 kemiske forsøg på samme tid

Videnskabelige nybrud 24. maj 2022 3 min Associate Professor and Group Leader Nikos S. Hatzakis Skrevet af Kristian Sjøgren

Mindre end mikroskopiske beholdere, håndtag af DNA og fluorescerende lipider gør forskere i stand til at lave flere end 40.000 kemiske forsøg på samme tid. Den nye teknologi sparer både tid, arbejdskraft og behov for store mængder ingredienser. Det er som at udvikle den bedste madopskrift, siger forsker.

Interesseret i Videnskabelige nybrud? Vi kan holde dig opdateret helt gratis

Forskere fra flere danske universiteter er gået sammen om at udvikle en helt ny måde at lave kemiske eksperimenter på.

I stedet for at lave eksperimenterne i kolber og reagensglas ét ad gangen kan forskerne ved hjælp af beholdere i nanostørrelse med DNA-stumper som håndtag udføre flere end 40.000 forsøg på samme tid og på lidt under en time.

Det sparer ikke bare tid i laboratoriet, men også enorme mængder forsøgsingredienser.

Den nye teknologi har ifølge forskerne potentialet til at ændre på den måde, som en lang række forsøg og screeninger bliver lavet på i dag.

”Normalt, når man skal lave flere tusinde forsøg, skal man bruge mange ingredienser, mange hænder og meget tid. Denne revolutionerende teknologi sparer på alle tre ressourcer, så man kan lave forsøg og randomiserede screeninger parallelt,” forklarer leder af forskningen, lektor Nikos Hatzakis fra Institut for Kemi ved Københavns Universitet.

Forskningen, der også inkluderer lektor Stefan Vogels gruppe fra Syddansk Universitet, er offentliggjort i Nature Chemistry.

Kemiforsøg er som at lave god mad

Når Nikos Hatzakis skal forklare, hvad den nye teknologi går ud på, bruger han madlavning som analogi.

Når man skal lave for eksempel en tomatsovs til sin pasta, skal man putte forskellige ingredienser i en gryde. Der skal i hvert fald hvidløg, tomat, salt, peber og basilikum ned i gryden, før man kan tale om en god tomatsovs.

Der er dog forskellige muligheder for at blande de forskellige ingredienser.

Man kan starte med hvidløg, så tomaterne, derefter salt, peber og til sidst basilikummen. Alternativt kan man forsøge sig med salt og peber først, så basilikummen for til sidst at slutte med tomater og hvidløg.

Hvad end man benytter den ene eller anden fremgangsmåde, vil man få forskellige resultater.

”Sådan er det også med kemien. Har man seks ingredienser, vil man få forskellige resultater ud af at blande dem forskelligt. Seks forskellige ingredienser kan desuden blandes på 720 forskellige måder, så hvis man forestiller sig, at man skal lave forsøg, hvor man laver alle tænkelige rækkefølger i sammenblandingen, vil det tage både meget lang tid, ligesom det vil koste store mængder af de forskellige ingredienser,” forklarer Nikos Hatzakis.

Laver forsøg i nanostørrelse

For at komme omkring problemet med at lave mange forsøg med de samme ingredienser har forskerne fra de danske universiteter udvikler små lipid-beholdere i nanostørrelse at lave forsøgene i.

Hver beholder er mindre i bredden end en tusindedel af et menneskehår.

Her skal man forestille sig én beholder til at mixe sine ingredienser i og forskellige beholdere til at indeholde de forskellige ingredienser.

På beholderne til at mixe ingredienserne i sidder der nogle DNA-stumper, der matcher DNA-stumper på de forskellige beholdere til ingredienserne. Det vil sige, at når en beholder med en ingrediens kommer i kontakt med mixebeholderen, fletter de to matchende stykker DNA-sammen som en lynlås, og indholdet af beholderen med ingrediensen bliver tømt ud i mixebeholderen.

I deres forsøg har forskerne lavet et setup, hvor de har 40.000 nanobeholdere til at mixe ingredienser i på et lille kvadrat på blot én kvadratmillimeter.

Hver beholder har seks DNA-stumper, der kan flette sammen med DNA-stumper fra ingrediensbeholdere, der hver indeholder hver deres kemiske ingrediens.

Når forskerne putter væsken med ingrediensbeholderne på chippen med mixebeholderne, kommer ingredienserne til at bliver blandt sammen i de små nanobeholdere i helt vilkårlig rækkefølge.

”Det smukke er, at vi på den måde kan lave flere tusinde forsøg på samme tid og alt sammen på et område, der ikke er større end én kvadratmillimeter. Hver nanobeholder er sit eget lille forsøg,” siger Nikos Hatzakis.

Kunstig intelligens kortlægger blandingsrækkefølgen

Historien stopper dog ikke her.

Én ting er at blande alle ingredienserne vilkårligt, noget helt andet er at identificere, hvordan de er blevet blandet.

Til det formål har forskerne udviklet en metode, så de øjeblikkeligt kan se, hvordan ingredienserne er blevet blandt i hver af de 40.000 små nanobeholdere.

Hver lipid-nanobeholder med ingredienser er nemlig udstyret med fluorescerende markører. Forskerne benytter til de forskellige beholdere forskellige kombinationer af rød, blå og grøn.

Ved hjælp af billeder af det mikroskopiske forsøg og kunstig intelligens til at finde hoved og hale i lyssignalet fra de mange tusinder af beholdere kan forskerne få et meget præcist billede af, i hvilken rækkefølge de individuelle ingredienser er blandet i hver enkelt beholder.

”Vi kan analysere på 40.000 begivenheder på ét sekund. Fordi vi kan analysere på lyssignalet, sparer vi enorme mængder af tid på at finde ud af, hvordan de forskellige ingredienser er blevet blandet. Alle delelementerne i denne teknologi er en del af revolutionen,” siger den forsker, som udførte det meste af forsøgsarbejdet, ph.d. Mette Galsgaard Malle, der nu forsker ved Harvard University.

Kan bruges til forskellige former for forsøg

Nikos Hatzakis ser mange forskellige områder, hvor teknologien kan anvendes til at spare både tid og ressourcer.

Blandt andet kan man forestille sig, at man som forsker vil sætte forskellige genetiske byggesten sammen til en DNA-streng til brug i mange forskellige sammenhænge, eksempelvis medicin.

Med teknologien kan forskerne sætte DNA-byggestenene sammen på tusindvis af forskellige måder, samtidig med at forskerne kun skal bruge minimale mængder ingredienser, ganske få laboranter og blot én time til at lave hele forsøget.

En anden mulig applikation er inden for screening, hvor man vil undersøge, om forskellige ligander binder til et protein, som er i mixebeholderen. Der kan man putte forskellige ligander i de andre beholdere, blande dem og se, hvordan de binder til proteinet, når rækkefølgen på liganderne byttes rundt.

”Vi taler allerede nu med industrien, der ser et stort potentiale i vores opfindelse,” siger Nikos Hatzakis.

Nikos Hatzakis' main research interest is to obtain a fundamental understanding of the parameters underlying regulation of protein function and how ab...

Dansk
© All rights reserved, Sciencenews 2020