Quantum Dot Com

Met de naam en het logo van het bedrijf op de glazen deur geplakt, de uitgepakte dozen, een lege receptie en jonge wetenschappers die druk bezig zijn, zou het elk bedrijf in Silicon Valley kunnen zijn dat in de chaos van het opstarten zit. Maar dit, zo wordt al snel duidelijk, is geen gewone startup. Je begint het verschil een paar deuren voorbij het koffiezetapparaat te merken. Iets verderop in de hal, in een kamer zonder ramen, verlicht door de vage gloed van een groene laser die door een doolhof van optische apparatuur schiet, vind je de kroonjuwelen van het bedrijf, kleine deeltjes die een verscheidenheid aan kleuren uitstralen. Dit zijn quantum dots-kristallen die uit slechts een paar honderd atomen bestaan. Bekeken door een gewone optische microscoop, fonkelen ze als sterren aan een maanloze hemel.

Quantum Dot Corporation - en zijn handvol spraakmakende durfkapitaalinvesteerders - wedden dat deze gloeiende stippen de manier waarop biologen naar de cellulaire wereld kijken, zullen veranderen. De deeltjes zijn slechts enkele nanometers (miljardsten van een meter) in doorsnee. Omdat dit ongeveer even groot is als een eiwitmolecuul of een korte sequentie van DNA, zouden kwantumdots bijna perfecte bakens kunnen zijn voor het verlichten van biologische gebeurtenissen. Ze komen in een bijna onbeperkt kleurenpalet en kunnen worden gekoppeld aan biomoleculen om gevoelige sondes te vormen om specifieke verbindingen te identificeren en biologische gebeurtenissen te volgen.

Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van januari 2000

• Zie de rest van het nummer
• Abonneren

Fluorescerende tags zijn alomtegenwoordig in de geneeskunde en in de biologie en worden bij alles gebruikt, van hiv-tests tot het in beeld brengen van de innerlijke functies van cellen. Maar de kleurstoffen waar biologen nu op vertrouwen, hebben ernstige nadelen. Om te beginnen moeten voor elke kleur verschillende soorten kleurstofmoleculen worden gebruikt, en een bijpassende laser moet worden gebruikt om een ​​kleurstof te laten fluoresceren: een groene laser voor een groene kleurstof, geel voor een gele kleurstof, enzovoort. De kleuren die door de kleurstoffen worden uitgestraald, hebben de neiging om samen te bloeden, en het gebruik van een combinatie van lasers is onpraktisch. Door deze beperkingen kun je in de praktijk niet naar meer dan een paar soorten biomoleculen tegelijk zoeken. Bovendien vervagen kleurstoffen snel, dus beeldvorming is een eenmalige aangelegenheid.

Quantum dots hebben geen van deze tekortkomingen. Je kunt scherp gekleurde stippen maken door simpelweg de grootte van de nanodeeltjes te variëren en een regenboog van deze kleuren te laten fluoresceren met wit licht of een eenkleurige laser. Bovendien blijven de nanodeeltjes veel langer glanzen dan kleurstoffen. Met deze verbeteringen kun je verschillende biologische componenten - zeg maar verschillende eiwitten of verschillende DNA-sequenties - tegelijkertijd labelen met specifieke gekleurde nanodots.

Dat soort flexibiliteit zou een goedkope en gemakkelijke manier kunnen zijn om een ​​bloedmonster te screenen op de aanwezigheid van een aantal verschillende virussen tegelijk. Het kan artsen ook een snelle kijk geven op de toestand van een patiënt. De aanwezigheid van een bepaalde set eiwitten is bijvoorbeeld een sterke indicator dat een persoon een hartaanval heeft; quantum dots zouden een snelle en eenvoudige test kunnen bieden om deze eiwitten te detecteren. Op het gebied van onderzoek zou de mogelijkheid om meerdere biomoleculen tegelijkertijd te taggen een krachtige manier kunnen zijn om de complexe cellulaire veranderingen en gebeurtenissen die verband houden met ziekten te bekijken, en aanwijzingen te geven voor het ontdekken van geneesmiddelen.

Punt van de ijsberg

De uitdaging ligt natuurlijk in het transformeren van dit ruwe wetenschappelijke potentieel in een levensvatbaar bedrijf. Dat is waar het in Palo Alto, Californië gevestigde Quantum Dot om de hoek komt kijken. Net als elk ander beginnend technologiebedrijf moet het financiële steun aantrekken door investeerders te imponeren en een levensvatbaar businessplan uit te werken, en opkomende concurrentie af te weren door een sterke technologieportfolio (zie kader: Quantum Competition). Maar voor Quantum Dot gaan de uitdagingen verder dan die van een typische startup. Het wil niet alleen commercieel slagen, het wil dat doen door te gaan waar nog maar weinig bedrijven zijn geweest: nanotechnologie (manipuleren en bouwen van materialen op nanometerschaal) als hulpmiddel in de geneeskunde en biologie.

Zelfs in fundamenteel onderzoek, laat staan ​​in de commerciële wereld, is het grensvlak van nanotechnologie en biologie grotendeels onontgonnen terrein. Kwantumstippen intrigeren natuurwetenschappers die al meer dan een decennium op zoek zijn naar nieuwe soorten elektronische en optische apparaten, maar weinig biologische onderzoekers dachten erover na. Om te slagen, moet het startende bedrijf biotech en nanotech bij elkaar brengen. Wat de moeilijkheid nog vergroot, is dat de meeste durfkapitalisten - wiens steun tegenwoordig cruciaal is voor bijna elke startup - een afkeer hebben getoond van alles wat zo esoterisch klinkt als nanotechnologie. Ze haasten zich misschien om dotcom-startups te financieren, maar zet het woord quantum voor het woord stip en de ogen beginnen te glanzen.

Degenen die Quantum Dot vormen, wedden echter dat het potentieel van deze geavanceerde technologie er uiteindelijk voor zal zorgen dat die glazige ogen scherp worden. Het bedrijf is mede opgericht door een paar volmaakte insiders uit Silicon Valley, Joel Martin en Bala Manian, die samen hebben geholpen bij het opstarten van een half dozijn technologiebedrijven op het gebied van medische apparaten en instrumentatie. Binnen de eerste acht maanden van het bestaan ​​van Quantum Dot had het ondernemerspaar $ 7,5 miljoen aan durfkapitaal opgehaald. CEO en president Martin zegt dat het een kwestie van timing is om investeerders enthousiast te maken: het vangen van een technologie, net zoals een explosie van wetenschappelijke vooruitgang, brengt het op de rand van commerciële bruikbaarheid. Je moet iets hebben dat de komende jaren op de markt komt, zegt Martin. Het kan niet zo ver weg zijn dat het op het randje is. Tegelijkertijd, voegt hij eraan toe, is het belangrijk dat de technologie tot de verbeelding spreekt.

In de gloed

Maar in 1997, toen Martin op zoek ging naar nieuwe technologieën, waren verschillende groepen onderzoekers begonnen kwantumstippen helderder en praktischer te maken. Met deze verfijningen werd het potentieel om ze te gebruiken in biologische beeldvorming en diagnostiek steeds duidelijker. Het begon erop te lijken dat het mogelijk zou zijn om nanodeeltjes om te zetten in gevoelige sondes die zich zouden richten op specifieke biologische doelen, de hele tijd oplichtend in onderscheidende kleuren die zeiden: Hier is het! - met het feit dat het een virus is, een eiwit van grote belangstelling, misschien een specifiek DNA.

De beweging naar biologische toepassingen was een lang proces, waarbij geen enkele doorbraak voorop liep. Maar een belangrijk besef, zegt Paul Alivisatos, een chemicus aan de University of California, Berkeley, die een aantal belangrijke vorderingen heeft bijgedragen, is dat kwantumstippen macromoleculen zijn, zo groot als eiwitten. Zodra je je realiseert dat de maatschalen compatibel zijn, zeg je: Oké, deze dingen kunnen samengaan. Moungi Bawendi, een MIT-chemicus die al meer dan tien jaar aan de deeltjes heeft gewerkt, voegt eraan toe: Biologie is niet waar we aanvankelijk aan dachten. Maar in zekere zin is het een veel betere toepassing - het is een natuurlijke.

Zo vanzelfsprekend dat Alivisatos en medewerker Shimon Weiss, een natuurkundige aan het Lawrence Berkeley Laboratory, en afgestudeerde student Marcel Bruchez, halverwege de jaren negentig zakelijke kansen begonnen te bespreken. We strompelden wat rond en probeerden een bedrijf te vormen om het biologische potentieel van kwantumstippen te benutten, zegt Alivisatos. Toen, in 1997, kregen ze een telefoontje van Joel Martin, die door Silicon Valley dwaalde op zoek naar het nieuwe, nieuwe ding. In een nanoseconde nodigde Alivisatos de durfkapitalist - en zijn cheque van een miljoen dollar - uit voor een bezoek aan het Berkeley-lab.

Het potentieel van kwantumstippen werd eind 1998 bevestigd door de publicatie van twee baanbrekende artikelen in het tijdschrift Science, die aantoonden dat de nanodeeltjes compatibel kunnen worden gemaakt met levende systemen en als bio-sondes kunnen worden gebruikt. Het ene artikel was van Alivisatos en zijn Berkeley-collega's, het andere van de scheikundige Shuming Nie van Indiana University. Beide groepen onderzoekers hadden geleerd hoe ze de nanodeeltjes in water konden oplossen en de kleine kristallen konden omhullen met een buitenste laag waaraan ze gemakkelijk biomoleculen konden binden die eiwitten of DNA kunnen herkennen. Het onderzoek bevestigde het potentieel van quantum dot-sondes voor gevoelige diagnostische tests, zelfs genetische analyse.

Als onderdeel van het onderzoek demonstreerden de wetenschappelijke teams manieren om eiwitten in en op het oppervlak van een cel te detecteren, wat een verleidelijke mogelijkheid suggereerde: het zou mogelijk kunnen zijn om een ​​enkele gloeiende nanodot aan bijvoorbeeld een eiwit te hechten, als een manier om te kijken cellulaire gebeurtenissen. Dergelijke waarnemingen zouden een veel beter begrip kunnen opleveren van hoe cellen werken en wat er mis kan gaan, wat waardevolle aanwijzingen kan opleveren voor de ontwikkeling van toekomstige geneesmiddelen en therapieën.

Een maand na de Science-papers werd Quantum Dot gestart. Martin en Manian ondertekenden vooraanstaande nanodot-onderzoekers bij de wetenschappelijke adviesraad van het bedrijf en gaven hen een financieel belang in het succes van de groep. Dat betekende partners maken van oude rivalen Alivisatos, Bawendi, Nie en Paul Mulvaney, een professor scheikunde aan de Universiteit van Melbourne. Voor de goede orde huurde de startup Bruchez en Stephen Empedocles, nieuw geslagen PhD's van de chemielaboratoria van Alivisatos en Bawendi, in als stafwetenschappers. Het bedrijf heeft een licentie verleend voor sleuteltechnologieën van de universiteiten, waarmee het een intellectueel eigendomsportfolio vergaarde dat het gebruik van kwantumstippen in de biologie omvat.

Martin zegt dat hoewel de wetenschappelijke waarde van de technologie de eerste keer dat hij het zag klikte, het pad naar commercialisering niet zo duidelijk was. Het is duidelijk dat de startup niet rechtstreeks wilde concurreren met giganten op het gebied van diagnostische en analytische instrumenten zoals Roche en Perkin-Elmer, en even duidelijk wilde ze niet alleen kwantumdots leveren als handelsartikelen. Het antwoord, zegt Martin, was een bedrijfsmodel dat Intel imiteerde. De chipmaker wil zijn microprocessors in ieders computer stoppen; Quantum Dot zou proberen zijn nanodeeltjes tot een essentieel onderdeel van diagnostische kits en analytische instrumenten te maken. De strategie was om van de grote fabrikanten klanten te maken, geen concurrenten.

Het businessplan van Quantum Dot roept het bedrijf op om deze winter te beginnen met het verzenden van testhoeveelheden dots naar potentiële klanten, zodat ze de waarde van de nanodeeltjes kunnen beoordelen bij diagnostische tests en het ontdekken van geneesmiddelen. Deals met instrumentmakers komen later, zegt Martin. Hij schat dat de startup genoeg geld heeft om nog een jaar te overleven, maar zegt dat het van plan is om dit voorjaar meer geld in te zamelen.

Het bedrijf verwacht halverwege het jaar een commercieel product te hebben, en Martin zegt dat de eerste toepassingen waarschijnlijk zullen komen in geneesmiddelenonderzoek. Maar voor de langere termijn valt één geweldige app op. Quantum Dot werkt aan biologische streepjescodes-polymeerparels verpakt met een bekende combinatie van duizenden of zelfs miljoenen kwantumdots. Elk van deze kralen zou een bekende kleursignatuur hebben - een spectrale streepjescode. In plaats van een kwantumpunt te gebruiken om een ​​biomolecuul te taggen door eraan te binden, streven de wetenschappers ernaar om tests voor genetische analyse op het oppervlak van de kralen te bouwen. Labs on a chip zijn een van de populairste nieuwe benaderingen van genetische analyse, en Quantum Dot hoopt dat het lab op een kraal een gemakkelijkere manier kan zijn om gensequenties te herkennen. De onderzoekers hechten een bepaalde sequentie van DNA aan het oppervlak van elk type kraal. Omdat je gemakkelijk duizenden, zelfs miljoenen kralen zou kunnen vormen, elk met een afzonderlijke DNA-sonde (en elke sonde gemakkelijk zou kunnen identificeren met behulp van de streepjescode), zou de techniek een snelle manier kunnen bieden om gelijktijdig een groot aantal gensequenties te identificeren in, laten we zeggen, een bloedmonster, dat een waardevol diagnostisch en onderzoeksinstrument vormt.

Wanneer koel niet genoeg is

Ondanks hun vroege succes bij het inzamelen van geld, zijn de oprichters van Quantum Dot zich ervan bewust dat het bedrijf een do-or-die-periode ingaat. Zonder een blockbuster-product in de nabije toekomst bevindt het bedrijf zich in een kwetsbaar stadium dat veel startups gemeen hebben. Elke kans heeft een tijdvenster. Er zijn altijd concurrerende technologieën, zegt medeoprichter Manian. Over drie jaar zijn we misschien succesvol, maar als iemand over twee jaar met een alternatief komt, is de trein al het station uit. Manian zegt dat het bedrijf mijlpalen heeft. Kijkend naar de barrières die je tegenkomt, doe je subjectieve oproepen: wordt het in een week opgelost of duurt het twee jaar? Als het twee jaar duurt, moet je direct op zoek naar alternatieven of een vangnet. De coolness-factor, waarschuwt hij, zal heel snel afnemen als je het niet kunt ondersteunen met economische voordelen. Het moet resulteren in real-world toepassingen.

Dit gevoel van urgentie bij het ontwikkelen van toepassingen voor de nanodeeltjes heeft enkele van de beste en slimste jonge quantum-dot-wetenschappers naar het bedrijf getrokken. In het opticalab van Quantum Dot heeft de 30-jarige Stephen Empedocles duidelijk de leiding. Dit is de showcase van het bedrijf, waar potentiële investeerders onder de indruk zullen zijn. Maar Empedocles staat vol vertrouwen toe en nodigt een bezoeker uit om door de microscoop te kijken naar de afzonderlijke deeltjes, niet veel groter dan een paar atomen, die fel gloeien. Het is een glimp van de nanowereld die zeker de fantasie – en misschien wel het chequeboek – van een belegger zal vangen.

Maar het experimentele apparaat dat als een doolhof kriskras over de laboratoriumtafel loopt, verraadt dat dit nog steeds baanbrekende wetenschap is. Empedocles trad in dienst bij Quantum Dot onmiddellijk na zijn afstuderen aan het MIT afgelopen voorjaar met een doctoraat in de chemie. Empedocles was al een erkend expert in de ontwikkeling van analytische technieken om enkelvoudige kwantumstippen te detecteren en had een baan bij een grote onderzoeksorganisatie kunnen aannemen of een willekeurig aantal academische functies kunnen kiezen. Maar hij voelde zich aangetrokken tot de uitdagingen en kansen van de fundamentele wetenschap van kwantumstippen en het gebruik van de technologie om impact te maken op de echte wereld.

Zelfs bij MIT, zegt Empedocles, konden mensen er niet achter komen waarom [hij zou gaan werken bij een riskant, nieuw bedrijf.] Niemand anders die ik kende ging naar een startup. De reden is dat de ondernemerscultuur die wortel heeft geschoten in computer- en biotechnologisch onderzoek nog steeds embryonaal is in de natuurwetenschappen. Maar als Quantum Dot erin slaagt om nanotech en biotech te huwen, zal Empedocles ontdekken dat zijn collega's aan het MIT een nieuw begrip krijgen van zijn carrièresprong.

zich verstoppen