Blauw licht, rood licht

Het is een Frankenstein-monsterachtige verwaandheid, maar bioloog Todd H. Rider '91, SM '91, SM '94, PhD '95 is nooit terugdeinzen voor het idee dat hij een gekke wetenschapper zou kunnen zijn. Sterker nog, hij omarmt het. Zijn rolmodellen waren de wildharige wetenschappers van de films, degenen met afvallige aspiraties en een onwil om op methodologische ceremonies te staan. Hij leent zelfs hun lijnen. Voor een experiment waarbij hij een schakelaar moest omdraaien, riep hij: Geef mijn creatie leven!

Ik denk dat ik veel mensen heb laten schrikken, zegt hij nu.

De 35-jarige inwoner van Arkansas is gespecialiseerd in het jagen op iets dat veel mensen angstaanjagender vinden dan het monster van Frankenstein: dodelijke ziektekiemen en virussen.

Rider en zijn team van Lincoln Laboratory kregen in juli landelijke aandacht voor hun werk aan een nieuw systeem voor het opsporen van potentieel dodelijke pathogenen, zoals miltvuur of de veteranenziekte, die op zich al lang gevreesd werden, maar nog angstaanjagender zijn geworden vanwege hun mogelijke gebruik in biologische wapens. Bekend als cellulaire analyse en melding van antigeenrisico's en -opbrengsten, of kortweg Canarische, gebruikt de detector die Rider ontwikkelde witte bloedcellen - de eerste verdedigingslinie van het lichaam tegen ziekten - om stoffen te testen op de aanwezigheid van bepaalde pathogenen.

In tegenstelling tot de huidige detectiesystemen die DNA-versterkende reacties gebruiken die een uur of langer kunnen duren, geeft de techniek van Rider informatie in seconden. Nu het publiek de dreiging van biologische oorlogsvoering en bioterrorisme onbeleefd heeft behandeld, en steden in quarantaine zijn geplaatst vanwege snel verspreidende virussen zoals SARS, kan het potentieel van de detector om ter plaatse metingen te leveren leiden tot een verscheidenheid aan eerste-reactie-toepassingen, van het lezen slijm geleverd door een mysterieus zieke bezoeker van de eerste hulp aan het testen van wit poeder kort nadat het uit een envelop is gevlogen. Rider gelooft ook dat de detector kan worden aangepast om deeltjes uit de lucht te halen, om te bepalen of biologische wapens zijn losgelaten op het slagveld.

Een natuurlijke reactie aanpassen

De natuur, zegt Rider, toont al aan dat witte bloedcellen ziekteverwekkers detecteren. Wanneer de antistoffen op zo'n cel binden aan een virus of bacterie, geven ze een calciumsignaal af. Dat zorgt ervoor dat de cel op oorlogspad gaat en de indringers bestrijdt. Rider geloofde dat als hij een eenvoudige manier kon vinden om het calciumsignaal te detecteren, hij een pathogeensensor zou kunnen ontwikkelen.

Het is slim, zegt dr. David Relman, een professor aan de Stanford University die de detectie van pathogenen bestudeert. Ik hou van het idee om een ​​biologisch systeem te coöpteren dat al bedraad is voor een snelle reactie.

Maar toen Rider voor het eerst aan het idee begon te werken, kort nadat hij in 1997 naar Lincoln Lab kwam, waren de mensen niet zo ontvankelijk. Veel mensen bij Lincoln Lab hadden het niet erg serieus genomen, zegt hij. Bovendien had Lincoln Lab geen biologielaboratorium. Dus de jeugdige wetenschapper - destijds 28, met slechts een jaar in de echte wereld na negen jaar aan het MIT - werd gedwongen om bankruimte op de campus te vinden totdat hij een witte bloedcel kon maken die de calciumreactie zou onthullen.

Rider vond die ruimte in het lab van biologieprofessor Jianzhu Chen. Chen, die onderzoek doet naar immunologie, hielp Rider ook om vroege financiering te krijgen van de cloak-and-dolk-menigte die een groot deel van Canary's ontwikkeling hebben gefinancierd. Het Amerikaanse Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), een aan het Amerikaanse leger gelieerde financieringsbron voor wetenschappelijke projecten, was geïnteresseerd in de detectie van ziekteverwekkers, en het team van Rider ging naar Washington om een ​​uiteindelijk succesvolle presentatie te geven.

Met voldoende middelen achter hem kon Rider beginnen met het onderzoeken van een eiwit dat hij lang als veelbelovend had beschouwd: aequorine, dat is afgeleid van de gloeiende kwal Gelijke overwinning en heeft een goed gedocumenteerd vermogen om licht te produceren als reactie op calcium. Rider gebruikte elektriciteit om gaten te blazen in witte bloedcellen die uit een muis waren geëxtraheerd, en doordrenkte die cellen vervolgens met de genetische instructies van de kwal voor de productie van aequorine. De theorie was dat wanneer antilichamen op de oppervlakken van de cellen zich op hun ziekteverwekkers zouden hechten, ze een calciumsignaal zouden activeren, dat de aequorine zou activeren en de cellen blauw zou laten gloeien. Dat blauwe licht, hoewel niet zichtbaar voor het blote oog, zou kunnen worden gemeten door een luminometer, die de resultaten naar een computer zou sturen, die een uitlezing zou genereren.

Medio 1998 had Rider de cellen geprogrammeerd om licht uit te zenden als reactie op fosforylcholine-ovalbumine, een veilige chemische vervanging voor virussen en bacteriën. Maar het principe was hetzelfde, en dit aanvankelijke succes gaf het concept de geloofwaardigheid die Rider nodig had om door te gaan.

Hij en zijn team verhuisden toen terug naar Lincoln Lab en begonnen te winkelen voor pathogene antilichamen, gebruikmakend van het arsenaal aan ziekteverwekkende bacteriën en virussen die in andere laboratoria werden bestudeerd. Na veel vallen en opstaan ​​ontwikkelde bioloog Martha Petrovick een nieuwe versie van een genetisch manipulatie-instrument dat bekend staat als een DNA-vector, waarmee Rider en zijn team witte bloedcellen konden produceren met antilichamen op hun oppervlak die reageerden op specifieke pathogenen. Deze omvatten miltvuur, builenpest, de pathogene stam van E coli , chlamydia, pokken en een half dozijn andere virussen en bacteriën, gevreesd voor hun mogelijk negatieve effecten op de volksgezondheid of het gebruik in bioterreurwapens.

Maar het team had nog steeds te maken met één cruciaal probleem: de witte bloedcellen en ziekteverwekkers hadden moeite om elkaar te lokaliseren tijdens het testen. De reactie duurde te lang en het signaal van de luminometer was te laag. We moesten een manier bedenken om de reactie sneller en duidelijker te maken, zegt James Harper, PhD '98, de medewerker van Lincoln Lab die aan het hoofd stond van hardware-engineering voor Canary.

De oplossing was om een ​​centrifuge te gebruiken om het celmateriaal van een monster naar de bodem van de container te draaien, de witte bloedcellen toe te voegen en ze naar beneden te draaien bovenop het monster, waardoor de twee in nauw contact met elkaar werden gedwongen. Wat minuten had geduurd, duurde nu seconden.

In veel van deze systemen is de beperking het massatransport', zegt Duane Lindner '72, adjunct-directeur voor scheikunde- en biologieprogramma's bij Sandia National Laboratories in Livermore, CA, dat zijn eigen detectiesystemen voor pathogenen ontwikkelt. Het kost veel tijd voordat deze grote dingen elkaar overlappen. Hun werk heeft duidelijk gemaakt hoe snel de systemen kunnen zijn.

Snel en eenvoudigMisschien?

Het is die snelheid die zowel militaire als particuliere bedrijven interesseert in het potentieel van de nieuwe detector. Zelfs vóór de terroristische aanslagen van 11 september 2001 was het leger geïnteresseerd in iets dat de lucht kon analyseren op biologische wapens. Volksgezondheidsinstanties waren ook gretig naar iets dat een lading voedsel snel kon controleren op E. coli. Recente zorgen over mysterieuze, mogelijk met miltvuur beladen witte poeders die via de Amerikaanse post zijn verzonden en de angst voor zich snel verspreidende virussen, zoals SARS, hebben hulpverleners en clinici net zo geïnteresseerd gemaakt in de detectie van ziekteverwekkers als het leger.

De technologie die in Canarische Eilanden wordt gebruikt, kan al bijna voor veel van die toepassingen worden aangepast, zeggen de ontwikkelaars, die geloven dat het huidige prototype van een centrifuge, luminometer en computer kan worden opgenomen in een veldtestkit ter grootte van een koffer, tegen een hardwareprijs van ergens tussen $ 7.000 en $ 10.000.

We hebben het opzettelijk zo ontworpen dat het heel gemakkelijk te gebruiken is, zegt Rider. Sommige van de huidige systemen gebruiken nogal wat training. We willen dat het bruikbaar is voor legersoldaten, medisch personeel, hulpdiensten. U voegt eenvoudig het monster toe aan de cel en kijkt of het gloeit.

Rider ontwikkelt ook wat hij speels noemt een gigantisch snurker-dingetje om op gevoelige plekken deeltjes uit de lucht te zuigen en te testen. Detectorcellen die in het apparaat worden gebruikt, kunnen nu tot twee weken overleven voordat ze moeten worden vervangen. Hoewel Rider de cellen verrassend sterk noemt, zeggen anderen dat ze niet robuust genoeg zijn, vooral niet voor één belangrijk doel van de civiele bescherming, een systeem dat autonoom monsters uit de lucht verzamelt en test op ziekteverwekkers.

Weer anderen geloven dat zijn proces wordt overtroffen door de concurrentie. Op DNA gebaseerde detectietechnologieën, hoewel niet zo snel als Canarische eilanden, zullen uiteindelijk in staat zijn om tegelijkertijd op een breed scala aan pathogenen te testen en zelfs de genetische kenmerken te onthullen van die organismen die niet gemakkelijk kunnen worden geïdentificeerd. Canary richt zich te veel op specifieke organismen, zegt Calvin Chue, een onderzoeker bij het Center for Civilian Biodefense Strategies bij Johns Hopkins. Als ik je een onbekende ziekteverwekker zou geven, zou je al je specifieke snelle tests moeten uitvoeren. Aangezien dit een tiental of meer runs kan omvatten, is de analyse niet meer zo snel. Zelfs aan het einde van je run heb je misschien nog steeds een onbekende in je handen, en je kunt niet aannemen dat het goedaardig is.

Rider hoopt echter dat Canary in de toekomst in staat zal zijn om elke vorm van analyse uit te voeren die concurrerende op DNA gebaseerde technologieën kunnen doen. In de tussentijd gelooft Harper bijvoorbeeld dat de voordelen van het snel kunnen lezen duidelijk zijn.

DNA is goed voor het zoeken naar de naald in de hooiberg als je niet weet wat de naald is, zegt Harper. Maar in termen van gevoeligheid en snelheid lijkt het erop dat er niets is dat Canarische kan evenaren. Het heeft de potentie om aan het bed te bepalen of iemand een bacteriële of virale infectie heeft, nog voordat ze opstaan ​​om het ziekenhuis te verlaten. Het is niet goed om te kijken naar wat er in duizend verschillende genen gebeurt, maar het is goed om je het snelste en meest gevoelige antwoord te geven.

Hoewel een groot deel van de vroege motivatie van DARPA voor de financiering van het project voortkwam uit zijn interesse in het gebruik van de reactieve eigenschappen van verschillende cellen om de kenmerken van onbekende pathogenen te bepalen, in plaats van het testen van monsters voor degenen die al bekend zijn, blijft het bureau tevreden met de technologie . DARPA is een van die plekken waar je niet beperkt bent tot één thema, zegt Alan Rudolph, de wetenschapper die toezicht houdt op het project voor het bureau.

Dat is een goede zaak voor Rider, die moeite had om zich in academische of onderzoeksomgevingen te beperken tot een enkel thema. Zijn doctoraatswerk omvatte in feite fusiereactoren, maar hij migreerde door verschillende minderjarigen, waaronder biogeneeskunde, terwijl hij het afrondde. Hij wendde zich tot microbiologie nadat zijn proefschrift problemen aantoonde met verschillende fusiereactoren, waardoor hij, geeft hij toe, een beetje impopulair was in de reactorbusiness.

Ik maakte sommige mensen van streek, dus besloot ik naar een ander veld te verhuizen, zegt Rider. Ik had het geluk om een ​​graad in biogeneeskunde te hebben.

Dr. Frankenstein is het daar misschien mee eens.

zich verstoppen