Von Jan Lublinski
Nur 2 mal 4 Zentimeter groß ist der Chip auf dem Wissenschaftler vom California Institute of Technology in Pasadena ein ganzes Chemielabor unterbringen. Auf dem Chip füllen sich Tausende winzige Behälter mit Flüssigkeiten, die durch mikrometergroße Verbindungsleitungen strömen. Auch Ventile und Pumpen sind dem Chip integriert, was keine Selbstverständlichkeit ist, denn bewegliche Teile bleiben leicht hängen. Carl Hansen hat dieses Problem hinter sich gelassen, seit er die Chips komplett aus Gummi fertigt.
Ganz am Anfang haben wir mit harten Materialien wie Glass oder Silizium gearbeitet, und die Bauteile ließen sich nur schwer bewegen. Unsere neuen Chips aus Gummi sehen jetzt aus wie weiche Kontaktlinsen. Sie sind flexibel, leicht zu handhaben, billig und außerdem durchsichtig, was das Arbeiten sehr angenehm macht. Auch können wir leicht mehrere Kopien eines Chips herstellen: Man gießt den Gummi einfach auf eine Form und zieht dann den fertigen Chip herunter.
Die Chips aus Gummi haben noch einen weiteren Vorteil: Es entstehen keine Bläschen in den Mikro-Leitungen: Steht eine Flüssigkeit unter Druck, wird vorhandenes Gas in die Gummiwand hineingepresst. Die Flüssigkeit dagegen bleibt aufgrund ihrer Oberflächenspannung in der Leitung. "Soft plumbing" nennt die Arbeitsgruppe um Steve Quake und Carl Hansen diese Technik: weiche Rohrinstallation. Die Ventile auf den Gummi-Chips bestehen aus Kanal-Kreuzungen, in denen sich dünne Membranen elektronisch gesteuert ausdehnen und so den Kanal schließen. Vergleichen kann man das mit einem Gartenschlauch, auf den jemand tritt, um den Wasserfluss zu stoppen. Mit diesem Prinzip lässt sich auch eine Mikro-Pumpe auf dem Gummi-Chip realisieren. Carl Hansen.
Die Pumpe besteht aus 3 hintereinander geschalteten Ventilen. Wenn man sie in der richtigen Reihenfolge betätigt, kann man eine Flüssigkeit in kontrollierten Schüben vorantreiben. Stellen Sie sich vor, drei Leute stehen auf einem Gartenschlauch: Wenn der erste aufspringt, und dann der zweite und dann der dritte, dann fließt etwas Wasser den Schlauch entlang. Wenn man diese Aktivitäten richtig koordiniert, kann man die Bewegung der Flüssigkeit sehr gut kontrollieren.
Um Chemikalien durchrühren zu können, hat sich Carl Hansen außerdem einen Mixer ausgedacht. Dieser besteht aus einer Pumpe mit 3 Ventilen, die im Kreis gelegt sind. Um im Bild zu bleiben: Man stelle sich drei Personen vor, die auf einem in sich geschlossenen Gartenschlauch herumtanzen; die Flüssigkeit wird gut durchgemischt. Mit der Kombination dieser Grundbauelemente kann Carl Hansen Flüssigkeiten in Tausende von winzigen Kanälen pumpen, chemische Reaktionen ablaufen lassen, Teile der Produkte kontrolliert wieder zusammenführen, sie durchmischen, weitere chemische Reaktionen ablaufen lassen und so weiter. Eine Anwendung dieser Mikrofluid-Technik ist die Kristallisation von Proteinen.
Wir haben jetzt das Genomprojekt geschafft, die Gene sind entschlüsselt. Aber das Genom enthält nur Informationen darüber, aus welchen Aminosäuren sich die Proteine zusammensetzten. Damit wir wissen aber noch nicht, wie die Proteine arbeiten. Dazu müssen wir herausfinden, wie sie gefaltet sind und welche Struktur sie haben. Zur Klärung dieser Frage gibt es eine wunderbare Technik: Die Röntgen-Kristallographie. Das Problem ist nur: Es ist schwierig, aus den Proteinen Kristalle herzustellen. Mit unserer neuen Chip-Technik geht das erstaunlich gut. Die Mikrofluidtechnik ist ein echter Home Run für die Kristallzüchtung.
Während es mit klassischen Techniken mitunter 3 Wochen dauert, bis man aus einem Protein ein Kristall gezüchtet hat, gelingt dieser Prozess auf dem mikrofluidischen Chip in 3 Tagen. 90 Prozent der Proteine kann Carl Hansen sogar schon am ersten Tag in Kristalle verwandeln. Auch gelingen ihm Kristallzüchtungen, die bislang als so gut wie unmöglich galten. Das Geheimnis dieses Erfolges besteht darin, dass auf seinen Chips Tausende von Kristallzüchtungsversuchen gleichzeitig ablaufen können, jeweils mit leicht veränderten Parametern. Bislang galten die Bedingungen der Schwerelosigkeit im Weltall als optimal für das Wachstum von Kristallen. Mit Mikrofluidtechnik erzielt Carl Hansen inzwischen aber noch bessere Ergebnisse. Es sieht es so aus, als könnte so manches Experiment, das von Astronauten ausgeführt wird, bald ersetzt werden – durch einen kleinen, billigen Chip aus Gummi.
Nur 2 mal 4 Zentimeter groß ist der Chip auf dem Wissenschaftler vom California Institute of Technology in Pasadena ein ganzes Chemielabor unterbringen. Auf dem Chip füllen sich Tausende winzige Behälter mit Flüssigkeiten, die durch mikrometergroße Verbindungsleitungen strömen. Auch Ventile und Pumpen sind dem Chip integriert, was keine Selbstverständlichkeit ist, denn bewegliche Teile bleiben leicht hängen. Carl Hansen hat dieses Problem hinter sich gelassen, seit er die Chips komplett aus Gummi fertigt.
Ganz am Anfang haben wir mit harten Materialien wie Glass oder Silizium gearbeitet, und die Bauteile ließen sich nur schwer bewegen. Unsere neuen Chips aus Gummi sehen jetzt aus wie weiche Kontaktlinsen. Sie sind flexibel, leicht zu handhaben, billig und außerdem durchsichtig, was das Arbeiten sehr angenehm macht. Auch können wir leicht mehrere Kopien eines Chips herstellen: Man gießt den Gummi einfach auf eine Form und zieht dann den fertigen Chip herunter.
Die Chips aus Gummi haben noch einen weiteren Vorteil: Es entstehen keine Bläschen in den Mikro-Leitungen: Steht eine Flüssigkeit unter Druck, wird vorhandenes Gas in die Gummiwand hineingepresst. Die Flüssigkeit dagegen bleibt aufgrund ihrer Oberflächenspannung in der Leitung. "Soft plumbing" nennt die Arbeitsgruppe um Steve Quake und Carl Hansen diese Technik: weiche Rohrinstallation. Die Ventile auf den Gummi-Chips bestehen aus Kanal-Kreuzungen, in denen sich dünne Membranen elektronisch gesteuert ausdehnen und so den Kanal schließen. Vergleichen kann man das mit einem Gartenschlauch, auf den jemand tritt, um den Wasserfluss zu stoppen. Mit diesem Prinzip lässt sich auch eine Mikro-Pumpe auf dem Gummi-Chip realisieren. Carl Hansen.
Die Pumpe besteht aus 3 hintereinander geschalteten Ventilen. Wenn man sie in der richtigen Reihenfolge betätigt, kann man eine Flüssigkeit in kontrollierten Schüben vorantreiben. Stellen Sie sich vor, drei Leute stehen auf einem Gartenschlauch: Wenn der erste aufspringt, und dann der zweite und dann der dritte, dann fließt etwas Wasser den Schlauch entlang. Wenn man diese Aktivitäten richtig koordiniert, kann man die Bewegung der Flüssigkeit sehr gut kontrollieren.
Um Chemikalien durchrühren zu können, hat sich Carl Hansen außerdem einen Mixer ausgedacht. Dieser besteht aus einer Pumpe mit 3 Ventilen, die im Kreis gelegt sind. Um im Bild zu bleiben: Man stelle sich drei Personen vor, die auf einem in sich geschlossenen Gartenschlauch herumtanzen; die Flüssigkeit wird gut durchgemischt. Mit der Kombination dieser Grundbauelemente kann Carl Hansen Flüssigkeiten in Tausende von winzigen Kanälen pumpen, chemische Reaktionen ablaufen lassen, Teile der Produkte kontrolliert wieder zusammenführen, sie durchmischen, weitere chemische Reaktionen ablaufen lassen und so weiter. Eine Anwendung dieser Mikrofluid-Technik ist die Kristallisation von Proteinen.
Wir haben jetzt das Genomprojekt geschafft, die Gene sind entschlüsselt. Aber das Genom enthält nur Informationen darüber, aus welchen Aminosäuren sich die Proteine zusammensetzten. Damit wir wissen aber noch nicht, wie die Proteine arbeiten. Dazu müssen wir herausfinden, wie sie gefaltet sind und welche Struktur sie haben. Zur Klärung dieser Frage gibt es eine wunderbare Technik: Die Röntgen-Kristallographie. Das Problem ist nur: Es ist schwierig, aus den Proteinen Kristalle herzustellen. Mit unserer neuen Chip-Technik geht das erstaunlich gut. Die Mikrofluidtechnik ist ein echter Home Run für die Kristallzüchtung.
Während es mit klassischen Techniken mitunter 3 Wochen dauert, bis man aus einem Protein ein Kristall gezüchtet hat, gelingt dieser Prozess auf dem mikrofluidischen Chip in 3 Tagen. 90 Prozent der Proteine kann Carl Hansen sogar schon am ersten Tag in Kristalle verwandeln. Auch gelingen ihm Kristallzüchtungen, die bislang als so gut wie unmöglich galten. Das Geheimnis dieses Erfolges besteht darin, dass auf seinen Chips Tausende von Kristallzüchtungsversuchen gleichzeitig ablaufen können, jeweils mit leicht veränderten Parametern. Bislang galten die Bedingungen der Schwerelosigkeit im Weltall als optimal für das Wachstum von Kristallen. Mit Mikrofluidtechnik erzielt Carl Hansen inzwischen aber noch bessere Ergebnisse. Es sieht es so aus, als könnte so manches Experiment, das von Astronauten ausgeführt wird, bald ersetzt werden – durch einen kleinen, billigen Chip aus Gummi.