Biyoteknolojide Mikroakışkan Çipler

Biyoteknoloji multidisiplinerdir. Böylelikle hem geniş yelpazede araştırmaları kapsar, hem de yenilikçiliği kolaylaştırır.

TTGV tarafından hazırlanan “Biyoteknoloji Sektörel İnovasyon Sistemi’ne” göre biyoteknolojinin temel sektörleri şöyledir; tıp, çevre, sentetik biyoteknoloji, gıda/tarım/hayvancılık, nanoteknoloji ve endüstriyel biyoteknoloji (Kiper, 2013). Günümüzde görülen uygulamalara bakıldığında ise, mikroakışkan çiplerin bu biyoteknoloji sektörlerinden dahil olmadığının kalmadığını fark ediyoruz.

Mikroakışkan teknolojisi basitçe, herhangibir materyel üzerinde veya içerisinde mikrokanallar oluşturulmasıdır. Mikrokanallar tasarımı içerisinden belirli bir hızda geçirilen biyolojik örnek sıvısının ve biyolojik parçacıkların (hücre, yağ küreciği, molekül, ve hatta organizma) analize hazırlanmasını veya analizini sağlar veya kolaylaştırır.

Dilerseniz, bahsettiğimiz 6 biyoteknoloji sektörü için ayrı ayrı birkaç ticari ürün örneğini inceleyelim. Tıp, yani sağlık sektöründe en önemli  konu hızlı kan değerleri analizi. Bugün, hastanelerin biyokimya laboratuvarlarında hergün onbinlerce kan örneği analiz ediliyor ve bu onbinlerce hastanın sadece kan değerleri sonucunu görebilmek için en az 1 gün bekledikleri anlamına geliyor. Peki mikrokanallar içerisinde birkaç mikrolitre kandan, serum, lökosit ve eritrosit ayrı kanallara ayırılıp hücre sayımı veya serumdan bir molekül analizi tek çip içerisinde gerçekleştirilebilir mi? Literatürde çoktan bu hedefe yönelik yüzlerce araştırma ortaya çıktı bile. Gelecek 5 yıl içerisinde, doktor mayenesi sırasında tek çip ile gerekli biyokimya testinin sonuçlarını bir kaç dakika içerisinde alabileceğimizi göreceğiz.

Mikroakışkan çip teknolojisinin etkisini inceleyeceğimiz ikinci sektör çevre. Aklımıza ilk gelen ise taşınabilir su/atıksu/hava analiz cihazları. Kan örneğinden biyokimya testlerine benzer bir yöntemle, laboratuvara ihtiyaç duymadan sahada su/hava kalitesi/temizliği testleri yapmak mümkün.  Ticari ürünleri ne aşamada olduğunu henüz iyi bilemiyoruz fakat biliminsanları için bu konuların aktif araştırma konusu olduğunu söyleyebiliriz.

Üçüncü sektörümüz olan sentetik biyoteknolojide en önemli konu olan DNA sentezi, artık bir çok ülkede mikroakışkan çiplerle ve entegre otomasyon cihazları ile yapılabilir oldu. Belki bir gün, istenilen özelliklere sahip tüm bakteri genomunun bilgisayarda tasarlanıp, tek çip içerisinde sentezlendikten sonra aynı çipten canlı bakteri hücrelerinin alınabildiğini de görebiliriz.

Gıda, tarım ve hayvancılık birbiri ile ilişkili fakat oldukça çeşitli çalışma konularını barındıran bir sektör. Aynı zamanda, saha analizine uygun portatif lab-on-a-chip cihazlarının da oldukça fazla ihtiyaç duyulduğu bir pazar. Ticari olarak uzun yıllardır gizliden gizliye kullanılan bir mikroakışkan çip uygulaması ise süt inekçiliğinde sütten somatik hücre sayısının ölçülmesini sağlayan taşınabilir cihazlar. Bu cihazlar çoğunlukla çiftliği kontrole gelen yetkililer tarafından kullanılıyor. Yetkililer bir kartuşa (aslında bir plastik mikroakışkan çip) bir miktar süt örneği çekiyorlar ve hücreler kartuş içerisinde florasan boya ile boyanıyor. Cihaz da, basit bir florasan mikroskop ve  entegre kamerası ve görüntü işleme algoritması ile hücre sayımı gerçekleşip sonuç verili. Benzer ve daha ileri cihazların üretim çalışmalarının devam ettiğini ise kendimizden biliyoruz, zamanı geldiğinde ilan ederiz.

Nanobiyoteknoloji sektörü, biyoteknolojinin gelişmesine yardımcı olan bir bilim dalı aynı zamanda. Uygulama alanlarından başlıca nanoparçacıkların mikrokanallar içerisinde sentezlenmesi veya hibrit nanoparçacık+ilaç yapılarının oluşturulması öne çıkmaktadır. Yeni nesil oligonükleotid ve polipeptid dizilenmesine yönelik cihazlar ise nanoteknoloji ve mikroakışkan çip teknolojilerinden araştırmacıların birlikte çalışmaları ile ortaya çıkar. 2016 yılından itibaren geliştirilmesine devam edilen tüm NGS ve dijital PCR cihazları, mikroakışkan çipler içerisinde işlemektedir.

Tüm bu sektörler aslında doğrudan veya dolaylı olarak endüstriyel biyoteknoloji sektörü ile ilişkililer ve bir çok lab-on-a-chip ürünü birkaç sektörün aynı anda listesine dahil olur. Endüstriyel biyoteknolojiye özel olarak ise mikro-biyo-reaktör konusu göze çarpar. Ticari ürün örnekleri de bulunan bu cihazlar çoklu paralel mikrokanal veya mikrorezervuarlarda büyüme veya üretimi takip ederken, üretim maliyetini azaltır ve verimi yükseltir.

Mikroakışkan çipler veya yaygın adıyla lab-on-a-chip teknolojisinin, biyoteknoloji uygulamalarında kullanımı artmakla birlikte, bizim kanaatimiz önümüzdeki 10 yılda laboratuvarlarda mikroakışkan çip kullanmayan hiçbir analiz/ölçüm cihazının rağbet görmeyeceği yönündedir.

Kaynaklar:

Kiper, M. 2013. Biyoteknoloji sektörel inovasyon sistemi, Kavramlar, Dünyadan örnekler, Türkiye’de durum ve çıkarımlar. Turkiye Teknoloji Gelistirme Vakfi (TTGV). bağlantı