Framtidens labb på ett biochip

Med hjälp av kiselchipteknik utvecklar Zhen Zhang en ny typ av miniatyrlabb med stor biomedicinsk potential. Ett enda biochip innehåller många elektroniska sensorer i nanoskala för parallella analyser. Tekniken ger nya möjligheter att utforska levande biosystem ner på molekylär nivå, något som kan bidra till en bättre läkemedelsutveckling i framtiden.

Zhen Zhang

Professor i elektroteknik

Wallenberg Academy Fellow 2015

Lärosäte:
Uppsala universitet

Forskningsområde:
Elektroniska biosensorer i nanoskala för biokemisk analys

Under de senaste åren har Zhen Zhang och hans forskargrupp vid Uppsala universitet byggt en avancerad plattform som gör det möjligt för dem att tillverka biochips som innehåller elektroniska biosensorer i nanoskala. Biochipsen är gjorda av kisel, ett material som förknippas med framväxten av det moderna informationssamhället.

I flera decennier har man ansträngt sig för att göra kiselkomponenter allt mindre och allt snabbare. Numera ryms miljarder identiska kiselkomponenter på ett chip som inte är större än en nagel. Men samtidigt börjar man faktiskt nå en bortre gräns där skalan inte kan göras mindre, förklarar Zhang.

– Det börjar bli dags för oss forskare att tänka på nästa steg – hur vi kan dra nytta av denna enormt kraftfulla teknik och utveckla nya applikationer.

Zhangs biosensorer fungerar som ett miniatyrlabb i sin egen rätt. De integrerade kiselkomponenterna används direkt som elektroniska biosensorer istället för att stödja elektronik i dyrbar apparatur, som traditionella biosensorinstrument. Här finns en potential att kraftigt minska kostnaderna och samtidigt öka effektiviteten inom området biosensorteknologi.

– Vi har lagt mycket tid och resurser på att utveckla och fintrimma tekniken, en satsning som inte hade kunnat göras utan finansieringen från Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse.

”Wallenberg Academy Fellow är ett mycket viktigt anslag för mig som forskare. Det är ett stort erkännande och ger ett starkt och långsiktigt ekonomiskt stöd. Dessutom är det en stor fördel att få lära känna framstående forskare i Sverige genom programmets nätverk.”

Zhangs grupp har också etablerat ett laboratorium där forskarna testar och utvärderar biosensorerna. I labbet kan man genomföra parallella analyser med extremt hög effektivitet på biochipets lilla yta.

Ett första viktigt forskningsspår handlade om att studera och förstå samspelet mellan biosensorer och vätskeprover, vilket möjliggjorde att på ett vetenskapligt tillförlitligt sätt detektera olika laddade partiklar, till exempel olika joner i kemiska och biologiska prover.

Forskargruppen fokuserar nu på olika biomedicinska tillämpningar. I ett projekt som finansieras av Vetenskapsrådet använder de biosensorer i nanoskala för att övervaka bakteriers ämnesomsättning. Syftet är att snabbt kunna testa antibiotikakänslighet.

Analyser av individuella molekyler

I ett annat projekt – som täcks av anslaget Wallenberg Academy Fellow – är syftet att uppnå något som ingen hittills har lyckats med i den vetenskapliga litteraturen. Zhang och hans kollegor vill använda kiselteknologi för att skapa en avgränsad miljö i nanoskala där de kan analysera enskilda molekyler.

– Med de instrument som finns tillgängliga idag kan man normalt sett analysera hela grupper av biomolekyler i buffertvätska, vilket förser oss med information i form av medelvärden. Men vi saknar kunskap om beteendet hos enskilda molekyler.

På biochipet bygger forskarna pyttesmå reaktionskammare i kisel. In till kammaren leder ”grindar” i nanoskala. Genom den lilla porten kan enstaka molekyler dras in i kammaren med hjälp av elektrisk kraft. Så fort en molekyl slunkit in genereras en elektrisk blockeringssignal, vilket fungerar som en återkoppling i realtid och gör det möjligt att kontrollera fångsten av en enda molekyl.

– Målet är att vi ska uppnå en ny grundläggande förståelse för levande biosystem på singelmolekylnivå, säger Zhen Zhang.

Men flera utmaningar återstår. En svårighet är hur man ska lyckas säkerställa att molekylen fortsätter röra sig fritt i kammaren utan att fastna på ytan.

– Det finns en hel del ytkemi som vi behöver förstå och designa på rätt sätt. Vår forskning bygger på ett tvärvetenskapligt samarbete och vi får också hjälp av andra forskargrupper på Uppsala universitet, samt av specialister vid lärosäten som Kungliga Tekniska högskolan, KTH, och Karolinska Institutet.

Hopp om bättre läkemedel

Om projektet lyckas är det en vetenskaplig milstolpe som skulle få betydelse inom biomedicinsk grundforskning. Men Zhang ser också en potential i tillämpningar, till exempel inom läkemedelssektorn. Det finns ett stort intresse för mer exakta mätningar och analyser av proteiner för läkemedel.

– Det öppnar för att med stor precision studera hur läkemedel och receptorer interagerar på singelmolekylnivå, och till och med att vi kan skapa miljöer som liknar cellplasma.

En fördel med kiselteknologin är att det går lätt att skala upp tillverkningen till massproduktion, förutsatt att metodens effektivitet kan bekräftas.

Zhang trivs med att vara forskare i Sverige. Han kom hit första gången 2003, då som doktorand vid KTH i Kista. Efter disputationen 2008 jobbade han fem år med avancerad chipteknik på IBM:s forskningscenter i New York och fick bland annat med sig en ökad förståelse för industrins behov och ett värdefullt kontaktnät.

År 2013 erhöll han Ingvar Carlsson-priset och återvände till Sverige, denna gång till Uppsala universitet. Här har han byggt upp sin forskning från ”scratch”, som han säger, och är tacksam för anslaget Wallenberg Academy Fellow som ger en långsiktig finansiering.

– Vi har fått ekonomiska resurser som gjort det möjligt att bygga upp en teknisk plattform från grunden och att samla en unik kompetens i Uppsala.

Text Nils Johan Tjärnlund
Bild Zhen Zhang, Shuangshuang Zeng, Yuan Zhu, Mikael Wallerstedt