Palear agua

El nuevo chip de microfluidos fabricado por Fluidigm, una startup con sede en el sur de San Francisco, representa una década de invenciones sucesivas. Este pequeño cuadrado de polímero esponjoso, el mismo tipo que se usa en lentes de contacto y enmasillado de ventanas, contiene una compleja red de canales microscópicos, bombas y válvulas. Pequeños volúmenes de líquido de, digamos, una muestra de sangre pueden fluir a través del laberinto de canales para ser segregados por las válvulas y bombas hacia casi 10,000 cámaras diminutas. En cada cámara se pueden analizar nanolitros (mil millonésimas de litro) de líquido.

Laboratorio en un chip : El chip de microfluidos de Fluidigm (el cuadrado gris en el centro) utiliza pequeños canales y válvulas para manipular líquidos. Permite bioensayos rápidos y sensibles

La capacidad de mover fluidos alrededor de un chip a escala microscópica es uno de los logros más impresionantes de la bioquímica en los últimos 10 años. Los chips de microfluidos, que ahora son producidos por un puñado de empresas emergentes y un número similar de fundiciones universitarias, permiten a los biólogos y químicos manipular pequeñas cantidades de fluido de una manera precisa y altamente automatizada. Las aplicaciones potenciales son numerosas, incluidos dispositivos portátiles para detectar diversas enfermedades y máquinas que pueden analizar rápidamente el contenido de una gran cantidad de células individuales (cada una con aproximadamente un picolitro de líquido) para identificar, por ejemplo, mutaciones cancerosas raras y mortales. Pero la microfluídica también representa un avance fundamental en cómo los investigadores pueden interactuar con el mundo biológico. La vida es agua que fluye a través de tuberías, dice George Whitesides, un químico de la Universidad de Harvard que ha inventado gran parte de la tecnología utilizada en microfluidos. Si estamos interesados ​​en la vida, debemos estar interesados ​​en los fluidos a pequeña escala.

Esta historia fue parte de nuestro número de enero de 2010

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Para explicar la importancia de la tecnología y la complejidad de su aparato microscópico, los involucrados en microfluidos a menudo hacen comparaciones con microprocesadores y circuitos integrados. De hecho, un chip de microfluidos y un microprocesador electrónico tienen arquitecturas similares, con válvulas que reemplazan a los transistores y canales que reemplazan a los cables. Pero manipular líquidos a través de canales es mucho más difícil que enrutar electrones por un circuito integrado. Los fluidos son, bueno, sucios. Pueden ser difíciles de mover, a menudo consisten en un guiso complejo de ingredientes y pueden pegarse y gotear.

Durante la última década, los investigadores han superado muchos de estos desafíos. Pero para que la microfluídica sea realmente comparable a la microelectrónica, deberá superar un desafío mucho más abrumador: la transición de una herramienta de laboratorio prometedora a una tecnología comercial ampliamente utilizada. ¿Puede convertirse en productos que los científicos, técnicos médicos y médicos deseen utilizar? Los biólogos están cada vez más interesados ​​en utilizar sistemas de microfluidos, dice Whitesides. Pero, agrega, ¿vas al laboratorio y encuentras estos dispositivos en todas partes? La respuesta es no. Lo interesante es que realmente no ha despegado. La pregunta es, ¿por qué no?

Cosas revisadas

• Matriz dinámica Biomark 96.96

  Fluidigm

  
  
  

• La naturaleza de la tecnología: qué es y cómo evoluciona

  Por W. Brian Arthur
  Prensa libre, 2009

También podría hacerse una pregunta similar sobre al menos otras dos tecnologías importantes que han surgido durante la última década: la medicina de base genómica y la nanotecnología. Cada uno comenzó este siglo con avances significativos y mucha fanfarria. La secuenciación del genoma humano se anunció por primera vez a principios de 2001; La Iniciativa Nacional de Nanotecnología, que ayudó a lanzar gran parte de la investigación nanotecnológica actual, obtuvo su primer financiamiento federal en 2000. Si bien las tres tecnologías han producido una gran cantidad de nuevos productos, ninguna ha tenido los efectos transformadores que muchos expertos esperaban. ¿Por qué se necesita tanto tiempo para que una tecnología tan obviamente importante y valiosa como estas tenga un impacto? ¿Cómo se crean productos populares a partir de tecnologías radicalmente nuevas? ¿Y cómo atraes a usuarios potenciales?

Paciencia paciencia
A pesar de la importancia económica, social y científica de la tecnología, el proceso de creación no se comprende bien. En particular, los investigadores han pasado por alto en gran medida la cuestión de cómo se desarrollan las tecnologías a lo largo del tiempo. Ese es el punto de partida de The Nature of Technology de W. Brian Arthur, un intento de desarrollar una teoría completa de qué es la tecnología y cómo evoluciona. Arthur se puso a trabajar en las estanterías de la biblioteca de la Universidad de Stanford. Cuando comencé a leer, me asombró que algunas de las preguntas clave no se hubieran pensado muy profundamente, recordó en una entrevista reciente. Si bien se ha escrito mucho sobre la sociología de la tecnología y la ingeniería, y hay mucho sobre la historia de varias tecnologías, dijo, había grandes lagunas en la literatura. ¿Cómo evoluciona realmente la tecnología? ¿Cómo define la tecnología?

Enlace

Un mapa de patentes creado por IPVision, con sede en Cambridge, MA, muestra muchos de los inventos clave de Stephen Quake y Fluidigm durante la última década que hacen posible los chips de microfluidos de la empresa. La línea de tiempo muestra varios avances iniciales clave y cómo los microfluídicos actuales utilizan tanto los avances en microfabricación como en bioquímica. Una red de invenciones tan compleja no es infrecuente en el desarrollo de nuevos cuerpos de tecnología.
Crédito: IPVision

Arthur espera hacer por la tecnología lo que Thomas Kuhn hizo por la ciencia en 1962 La estructura de las revoluciones científicas, que describe cómo se producen los avances científicos y cómo se adoptan. Una parte clave del argumento de Arthur es que la tecnología tiene sus propias características y naturaleza, y que durante demasiado tiempo se la ha tratado como subordinada a la ciencia o simplemente como ciencia aplicada. La ciencia y la tecnología están completamente entrelazadas pero son diferentes, dice: la ciencia se trata de comprender los fenómenos, mientras que la tecnología realmente se trata de aprovechar y utilizar los fenómenos. Se construyen entre sí.

Arthur, un ex profesor de economía y estudios de población en Stanford que ahora es profesor externo en el Instituto Santa Fe e investigador visitante en el Centro de Investigación de Palo Alto, es quizás mejor conocido por su trabajo sobre la teoría de la complejidad y por su análisis de la creciente retornos, lo que ayudó a explicar cómo una empresa llega a dominar el mercado de una nueva tecnología. Es discutible si cumple su objetivo de formular una teoría rigurosa de la tecnología. Sin embargo, el libro ofrece una descripción detallada de las características de las tecnologías, salpicado de interesantes curiosidades históricas. Y proporciona un contexto en el que empezar a comprender los procesos, a menudo laboriosos y prolongados, mediante los cuales se explotan comercialmente las tecnologías.

Particularmente valiosos son los conocimientos de Arthur sobre cómo los diferentes dominios de la tecnología evolucionan de manera diferente en comparación con las tecnologías individuales. Los dominios, como los define Arthur, son grupos de tecnologías que encajan porque aprovechan un fenómeno común. La electrónica es un dominio; sus dispositivos (condensadores, inductores, transistores) funcionan todos con electrones y, por lo tanto, encajan entre sí de forma natural. Del mismo modo, en la fotónica, los láseres, los cables de fibra óptica y los interruptores ópticos manipulan la luz. Mientras que una tecnología individual, por ejemplo, el motor a reacción, está diseñada para un propósito particular, un dominio es una caja de herramientas de componentes útiles, una constelación de tecnologías, que se puede aplicar en muchas industrias. Se inventa una tecnología, escribe Arthur. Un dominio emerge pieza por pieza de sus partes individuales.

La distinción es crítica, argumenta, porque los usuarios pueden adoptar rápidamente una tecnología individual para reemplazar los dispositivos existentes, mientras que los usuarios potenciales encuentran nuevos dominios que deben tratar de comprenderlos, descubrir cómo usarlos, determinar si valen la pena y crear aplicaciones para ellos. Mientras tanto, aquellos que desarrollan los nuevos dominios deben mejorar las herramientas en la caja de herramientas e inventar las piezas faltantes necesarias para nuevas aplicaciones. Todo esto normalmente lleva décadas, dice Arthur. Es un proceso muy, muy lento.

Lo que Arthur menciona brevemente es que esta evolución de un nuevo cuerpo de tecnología a menudo va acompañada de una progresión aún más familiar: entusiasmo por una nueva tecnología, desilusión de inversores y usuarios porque la tecnología no está a la altura de la hipérbole y una lenta resurgimiento a medida que la tecnología madura y comienza a satisfacer las necesidades del mercado.

Una solución en busca de problemas
A finales de la década de 1990, la microfluídica (o, como a veces se le llama, tecnología de laboratorio en un chip) se convirtió en otro avance exagerado en una era conocida por ellos. Los defensores hablaron sobre el potencial de los chips. Pero los dispositivos no pudieron realizar las complejas manipulaciones de fluidos requeridas para muchas aplicaciones. Fueron promocionados como un reemplazo de todo. Eso claramente no funcionó muy bien, dice Michael Hunkapiller, un capitalista de riesgo de Alloy Ventures en Palo Alto, CA, que ahora está invirtiendo en varias nuevas empresas de microfluidos, incluida Fluidigm. Las capacidades de la tecnología en la década de 1990, dice, eran mucho menos universales que la publicidad.

El problema, como diría Arthur, era que a la caja de herramientas le faltaban piezas clave. Entre los componentes necesarios se destacaron las válvulas, que permitirían encender y apagar el flujo de líquidos en puntos específicos del chip. Sin válvulas, solo tiene una manguera; con válvulas puede construir bombas y comenzar a pensar en formas de construir tuberías. El problema se resolvió en el laboratorio de Stephen Quake, entonces profesor de física aplicada en Caltech y ahora en el departamento de bioingeniería en Stanford. Quake y sus compañeros de trabajo de Caltech encontraron una forma sencilla de hacer válvulas en canales de microfluidos en una placa de polímero. Dos años después de la publicación de un artículo sobre las válvulas, el grupo había aprendido a crear un chip de microfluidos con miles de válvulas y cientos de cámaras de reacción. Fue el primer chip de este tipo digno de ser comparado con un circuito integrado. La tecnología fue licenciada a Fluidigm, que Quake cofundó en 1999.

Mientras tanto, otros laboratorios académicos inventaron otras formas cada vez más complejas de manipular líquidos en dispositivos de microfluidos. El resultado es una nueva generación de empresas equipadas con tecnologías mucho más capaces. Aún así, muchos usuarios potenciales siguen siendo escépticos. Una vez más, la microfluídica se encuentra en una fase familiar de desarrollo tecnológico. Como explica David Weitz, profesor de física en Harvard y cofundador de varias empresas de microfluidos: Es una solución maravillosa que sigue buscando los mejores problemas.

Hay muchas posibilidades. Los investigadores biomédicos han comenzado a usar microfluidos para observar cómo las células individuales expresan genes. En un experimento, los investigadores del cáncer están usando uno de los chips de Fluidigm para analizar las células del tumor de próstata, buscando patrones que les ayuden a seleccionar los medicamentos que combatirán el tumor de manera más eficaz. Además, Fluidigm ha introducido recientemente un chip diseñado para cultivar células madre en un microambiente controlado con precisión. Actualmente, cuando las células madre se cultivan en el laboratorio, puede resultar difícil imitar las condiciones químicas de un animal vivo. Pero pequeños grupos de células madre podrían dividirse en secciones de un chip de microfluidos y bañarse en combinaciones de bioquímicos, lo que permitiría a los científicos optimizar sus condiciones de crecimiento.

Y los microfluidos podrían hacer posible dispositivos de diagnóstico baratos y portátiles para su uso en consultorios médicos o incluso clínicas remotas. En teoría, una muestra de, digamos, sangre se podría verter en un chip de microfluidos, que realizaría el bioensayo necesario: identificar un virus, detectar proteínas cancerígenas reveladoras o encontrar signos bioquímicos de un ataque cardíaco. Pero tanto en el diagnóstico médico como en la investigación biomédica, la microfluídica aún no se ha adoptado de forma generalizada.

Nuevamente, el análisis de Arthur ofrece una explicación. Los usuarios que se encuentren con las nuevas herramientas deben determinar si valen la pena. En el caso de muchas aplicaciones de diagnóstico, los biólogos deben comprender mejor qué bioquímicos detectar para desarrollar pruebas. Mientras tanto, aquellos que desarrollan dispositivos de microfluidos deben hacer que los dispositivos sean más fáciles de usar. Como nos recuerda Arthur, la ciencia y la tecnología deben basarse entre sí, y los tecnólogos deben inventar las piezas faltantes que los usuarios quieren; es una evolución lenta y laboriosa.

A menudo es difícil predecir cuáles serán esas piezas faltantes. Hunkapiller recuerda la historia de comercialización del secuenciador de ADN automatizado, una máquina que él y sus colegas inventaron en Caltech y que se comercializó en 1986 en Applied Biosystems. (La máquina ayudó a hacer posible el Proyecto Genoma Humano). A veces, es algo extraño lo que hace que una tecnología despegue, dice. La secuenciación automatizada no se hizo popular hasta alrededor de 1991 o 1992, dice, cuando la compañía presentó un kit de preparación de muestras. Aunque no fue un avance técnico particularmente impresionante, ciertamente no al nivel del secuenciador automático en sí, el kit tuvo un impacto enorme porque facilitó el uso de las máquinas y condujo a resultados más confiables. De repente, recuerda, las ventas se dispararon: ya no era gran cosa pagar 100.000 dólares por una máquina.

En una entrevista reciente, Whitesides demostró un chip de microfluidos hecho de papel en el que los líquidos se conducen a través de canales a pequeñas cámaras donde se llevan a cabo las reacciones de prueba. Luego sacó un nuevo teléfono inteligente, todavía en su envoltorio de plástico, de su caja. ¿Qué pasaría si, reflexionó, pudieras usar de alguna manera la cámara del teléfono para capturar los datos del microchip y usar su poder computacional para procesar los resultados, en lugar de depender de voluminosos lectores dedicados? Una simple lectura en el teléfono podría brindarle al usuario la información que necesita. Pero antes de que eso suceda, reconoció, se necesitarán varios otros avances. De hecho, como si le recordara el difícil trabajo que tenía por delante, Whitesides volvió a guardar rápidamente el teléfono inteligente en la caja.

David Rotman es editor de Revisión de tecnología .

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