Ingeniería Química y Biomolecular

Paul Kenis Research

Sistemas Microquímicos: Microrreactores, Células de Microcombustibles y Herramientas Microfluídicas

Grupo de Investigación Kenis

En el grupo de investigación Kenis, explotamos la capacidad de un control exquisito sobre los fenómenos de transporte a microescala para estudiar fenómenos fundamentales (incluida la química de proteínas, la biología celular) y desarrollar tecnologías novedosas para una gama de aplicaciones, incluida la conversión de energía, la síntesis química y los estudios biológicos fundamentales. Para llevar a cabo investigaciones en estas áreas interdisciplinarias, hemos desarrollado una experiencia básica en caracterización de sistemas electroquímicos, microfabricación, tecnologías microfluídicas, así como modelos analíticos y computacionales de fenómenos de transporte, y técnicas analíticas y de caracterización de materiales, como diversos tipos de espectroscopia y microscopía.

Actualmente el grupo desarrolla proyectos de investigación en las siguientes áreas:

1. Sistemas electroquímicos para conversión de dióxido de carbono y pilas de combustible
2. Plataformas microfluídicas para la cristalización de proteínas y productos farmacéuticos
3. Plataformas microfluídicas para el estudio de procesos intercelulares e intracelulares
4. Microrreactores para síntesis química
5. Tecnologías de fabricación de microfluidos
6. Proyectos » bio » de microfluidos emergentes

1. Sistemas electroquímicos para la conversión de dióxido de carbono y pilas de combustible

1a. Reducción electroquímica de CO2:

Los niveles de CO2 en la atmósfera han aumentado constantemente, lo que ha tenido un impacto negativo en el clima mundial. Es necesario emplear simultáneamente múltiples estrategias, como la captura y el secuestro de carbono, el cambio a combustibles menos contaminantes, la ampliación de la utilización de fuentes de energía renovables y el aumento de la eficiencia energética de los edificios, para frenar este aumento. La reducción electroquímica de CO2 en productos químicos de valor añadido o sus productos intermedios es otro enfoque para abordar este desafío. Este proceso puede ser impulsado por el exceso de energía de fuentes renovables intermitentes, proporcionando así un medio para almacenar el exceso de energía renovable intermitente al tiempo que recicla CO2 como portador de energía. Además, al utilizar el CO2 como material de partida para la producción química, se reduce la dependencia de la sociedad de los combustibles fósiles.

Para la reducción electroquímica de CO2, nuestro grupo tiene como objetivo mejorar la selectividad del producto, la eficiencia energética y la tasa de conversión a través del desarrollo de catalizadores novedosos, la aplicación de electrolitos adecuados y la optimización de la estructura del electrodo y el diseño del reactor. Por ejemplo, disminuimos la sobretensión celular a menos de 0.2 V mediante el uso de una solución acuosa que contiene tetrafluoroborato de 1-etil-3-metilimidazolio (EMIM BF4), que presumiblemente estabiliza un intermediario de reacción (Rosen et al. Science, 2011). También desarrollamos catalizadores organometálicos a base de plata que exhiben una alta actividad catalítica a baja carga de Ag (Thorson et al., J. Am. Chem. Soc., 2012). Como material de soporte, el TiO2 se utiliza para minimizar el tamaño de partícula de Ag y aumentar la actividad del catalizador, lo que resulta en una carga de Ag drásticamente menor sin sacrificar el rendimiento para reducir el CO2 a CO (Ma et al., ChemSusChem, 2014). Además, la ingeniería de la estructura de capa de catalizador proporciona un enfoque para maximizar la utilización del catalizador y el rendimiento general. Un método automatizado de deposición de catalizador aerografiado condujo a un alto rendimiento en la reducción de CO2 con una carga de catalizador reducida, mientras que se suprimió la evolución no deseada de H2(Jhong et al., Adv. Energy Mater., 2013).

Actualmente continuamos investigando para mejorar los catalizadores, electrodos y condiciones de operación para la conversión electroquímica de CO2 en productos químicos de interés. Parte de este trabajo se realiza en colaboración con otros: Nakashima, Lyth en Kyushu, Japón; y Rich Masel en Materiales de dióxido.

1b. Pilas de combustible:

(2) Plataformas microfluídicas para la cristalización de proteínas o productos farmacéuticos

La cristalización de proteínas y productos farmacéuticos puede volverse muy costosa rápidamente debido a las grandes cantidades de material necesarias para la detección de condiciones óptimas de cristalización. A pesar de la disponibilidad de instrumentos robóticos automatizados de cribado de cristalización que pueden utilizar gotas del tamaño de nanolitros, la gran inversión en capital requerida hace que tales instrumentos sean prácticos solo para unos pocos laboratorios o centros de cristalización bien financiados. Nuestras plataformas microfluídicas para cristalización de proteínas y productos farmacéuticos (i) permiten el cribado de alto rendimiento y la optimización de las condiciones de cristalización al usar unos pocos nanolitros por ensayo; (ii) son una alternativa económica y fácil de usar a los robots de cristalización para el laboratorio promedio; y (iii) son compatibles con técnicas analíticas mediante la selección adecuada de materiales (por ejemplo, alta transmisión de rayos X, UV e IR). Al ser transparentes para rayos X, nuestros chips se pueden montar directamente en un haz de rayos X para la recopilación de datos sin pasar por el paso de la recolección manual de los cristales. Nuestras plataformas microfluídicas permiten realizar estudios de la ciencia fundamental de la cristalización (siembra de cristales, nucleación y tasas de crecimiento), así como de la ciencia aplicada (análisis estructural, cribado de formas sólidas) para la cristalización de proteínas y farmacéutica.

2a. Cristalización de proteínas de membrana:

Las proteínas de membrana (MPs) residen dentro de la membrana celular y actúan como mediadores para la señal, la energía y la transducción de material dentro y fuera de la célula. No es sorprendente que el mal funcionamiento de las proteínas de membrana se haya relacionado con numerosas enfermedades (Quick y Javitch, PNAS, 2007). Por lo tanto, los diputados son objetivos comunes de drogas. Varios análisis han indicado que las MPs constituyen casi el 30% de las proteínas codificadas en los genomas de Escherichia coli, Saccharomyces cerevisae y Homo sapiens (Seddon et al., Bba-Biomembranas, 2004). A pesar de su abrumadora preponderancia en la célula, las MPs representan menos del 1% de las estructuras proteicas depositadas en el Banco de Datos de Proteínas. La determinación de la estructura de las proteínas de membrana se ha visto obstaculizada por las dificultades para obtener cantidades suficientes de proteínas debido a la baja abundancia y su anfifilicidad inherente, y las dificultades posteriores en la cristalización. En nuestro grupo, hemos desarrollado plataformas microfluídicas transparentes para rayos X para cristalización in surfo y in meso MP. Además, nuestra investigación incluye plataformas transparentes de rayos X que permiten el estudio de diagramas de fases cúbicas lipídicas y cribado de matriz de microseed, dos técnicas de cristalización potentes pero típicamente inaccesibles para proteínas de membrana. El objetivo general de nuestra investigación es cristalizar cristales grandes y bien ordenados (de»calidad de difracción») para el análisis de rayos X y la elucidación de la estructura. Hemos cristalizado varios objetivos y resuelto sus estructuras utilizando datos recopilados únicamente en chip Los esfuerzos actuales se centran en cristalizar proteínas de membrana respiratoria en colaboración con el Prof. Robert Gennis, Departamento de Bioquímica.

2b. Cribado en forma sólida de productos farmacéuticos candidatos:

Durante las primeras etapas del descubrimiento de medicamentos farmacéuticos, los científicos buscan formas sólidas de ingredientes farmacéuticos activos (API) que tengan propiedades físicas y químicas apropiadas (es decir, solubilidad, biodisponibilidad, estabilidad) que puedan moverse más tarde a través de la tubería de desarrollo de medicamentos. Desafortunadamente, el éxito en encontrar una forma sólida cristalina de una API con propiedades optimizadas utilizando procedimientos de detección convencionales (placas de pozos) está limitado por una pequeña cantidad de API disponible durante las primeras etapas del descubrimiento de medicamentos. Para abordar este problema, hemos desarrollado plataformas microfluídicas para el cribado de formas sólidas farmacéuticas con los objetivos de (i) reducir la cantidad de ingredientes farmacéuticos activos (API) necesarios para el cribado de formas sólidas, (ii) aumentar la compatibilidad entre la plataforma de cribado de formas sólidas y los instrumentos analíticos, y (iii) determinar si un enfoque microfluídico para el cribado de formas sólidas permite elucidar formas sólidas nuevas. Hemos validado plataformas microfluídicas basadas en la difusión de interfaces libres (Thorson et al., LOC, 2011) y evaporación controlada (Goyal et al., LOC, 2013) que reducen la cantidad de API necesaria por condición de cribado de forma sólida en un orden de magnitud (de 5 mg a 5 µg para cada condición), con resultados comparables a los experimentos tradicionales de cribado de forma sólida basados en evaporación. La reducción en la cantidad de muestras permite a los científicos realizar pantallas de formas sólidas en una etapa temprana del proceso de descubrimiento de fármacos cuando hay cantidades mínimas de API disponibles, y permite una pantalla más extensa que permite el descubrimiento de formas sólidas novedosas. Diseñamos las plataformas microfluídicas para que sean ópticamente transparentes, lo que permite una fácil identificación de sólidos cristalinos, y para mostrar una señal mínima en espectroscopia Raman y difracción de rayos X, lo que permite la identificación en el chip de formas sólidas (Goyal et al., Crys. Crecimiento & Des., 2012). Actualmente, estamos investigando para resolver estructuras cristalinas de cocristales desconocidos utilizando nuestra plataforma microfluídica para hacer crecer cristales de calidad de difracción. Este trabajo se realiza en colaboración con AbbVie.

(3) Plataformas microfluídicas para estudios celulares

Las plataformas microfluídicas proporcionan varias características que facilitan mejor el estudio de los procesos celulares e intercelulares en comparación con las técnicas tradicionales basadas en placas de placas o placas de placas de petri. Los ejemplos incluyen la capacidad de estudiar células individuales en entornos altamente controlados, un control superior sobre el microambiente celular en el espacio y el tiempo, y una integración conveniente con diferentes tipos de microscopía. En nuestro grupo, desarrollamos plataformas microfluídicas para las siguientes aplicaciones:

3a. Pruebas de susceptibilidad a los antibióticos:

El tratamiento eficaz de las infecciones clínicas depende en gran medida de la capacidad de examinar rápidamente muestras de pacientes para identificar la susceptibilidad de los patógenos infecciosos a los antibióticos. Los métodos existentes para las pruebas de susceptibilidad a los antibióticos (AST) adolecen de varios problemas, incluidos los largos tiempos de respuesta (días), el consumo excesivo de muestras y reactivos, una sensibilidad de detección deficiente y capacidades combinatorias limitadas. Estos factores impiden la administración oportuna de antibióticos adecuados, lo que complica el tratamiento de las infecciones y exacerba el desarrollo de resistencia a los antibióticos.

Para abordar estos problemas, desarrollamos plataformas microfluídicas para AST que proporcionan varias ventajas en comparación con los métodos convencionales, incluida una mayor sensibilidad de detección, resultados rápidos (<6 horas), menor consumo de reactivos y resultados más cuantitativos. Por ejemplo, en colaboración con el Prof. Schroeder hemos utilizado nuestras plataformas microfluídicas para estudiar la susceptibilidad de varias bacterias patógenas, como E. coli, P. aeruginosa y K. pneumoniae, contra diferentes antibióticos (Mohan et al. Biosens. & Bioelect., 2013). También hemos utilizado la plataforma para estudiar la interacción entre diferentes especies de bacterias (cultivos polimicrobiales) y el efecto de estas interacciones en la susceptibilidad a los antibióticos. Actualmente, estamos aplicando la plataforma microfluídica junto con el uso de los datos experimentales resultantes para el modelado farmacocinético – farmacodinámico (FC/FD) para proporcionar mejor información sobre la mejor manera de tratar una infección determinada.

3b. Estudio de células en condiciones controladas de oxígeno:

A medida que los tumores crecen hacia afuera, lejos de la arquitectura vascular local, se forman regiones hipóxicas variables (oxigenación subfisiológica del tejido) en toda la masa sólida. Estas regiones hipóxicas se han asociado con resistencia terapéutica, reprogramación metabólica y transición epitelial-mesenquimatosa. Quedan muchas preguntas con respecto a los efectos de la hipoxia en estos resultados, sin embargo, solo unos pocos métodos permiten un control preciso de la concentración de oxígeno y la obtención de imágenes en tiempo real del comportamiento celular. Las plataformas microfluídicas son especialmente adecuadas para controlar la concentración de oxígeno al tiempo que permiten la obtención de imágenes en tiempo real debido a su control de las condiciones químicas temporales y espaciales. Además de controlar el microambiente local, la escala de longitud reducida en plataformas microfluídicas en comparación con los métodos convencionales proporciona tiempos de equilibrio más cortos. Utilizando las ventajas de las plataformas microfluídicas, hemos desarrollado un dispositivo de arreglo capaz de controlar la concentración de oxígeno del 0,5% al 21%. En colaboración con el profesor Rex Gaskins (Departamento de Ciencias Animales), utilizamos estas plataformas para estudiar cambios en tiempo real del potencial redox organelar en células cancerosas bajo hipoxia.

(4) Síntesis química en microrreactores

Los microrreactores proporcionan varias ventajas para el estudio y la ejecución real de la síntesis química en comparación con los enfoques tradicionales de laboratorio húmedo. Por ejemplo, las plataformas más pequeñas, diseñadas con precisión, proporcionan una transferencia de calor y masa mejorada, un consumo reducido de reactivos y son más propensas a la automatización. En nuestro grupo, desarrollamos microrreactores para las siguientes aplicaciones:

4a. Síntesis de radiofármacos:

Los radiofármacos son una clase de medicamentos utilizados en el diagnóstico y tratamiento de varias enfermedades y trastornos, incluidos ciertos tipos de cáncer y enfermedades cardíacas. Las cantidades de precursores para la síntesis de estas drogas son típicamente pequeñas (unos pocos microlitros) debido a la disponibilidad limitada, los altos costos y los límites superiores de la cantidad de radiactividad que se puede manejar de manera segura. La incapacidad de los métodos convencionales de «laboratorio húmedo» para manipular eficientemente volúmenes bajos de reactivos no solo conduce a la síntesis de medicamentos de baja calidad para aplicaciones clínicas, sino que también dificulta el desarrollo de nuevos medicamentos. Tratamos de abordar estos problemas desarrollando tecnologías microfluídicas, o mejores microrreactores, para la síntesis de estos radiofármacos. Al integrar diferentes módulos microfluídicos, imaginamos que estos compuestos se pueden fabricar de manera mucho más confiable y con un mayor rendimiento.

Hemos demostrado que las tecnologías microfluídicas proporcionan varias ventajas para cada paso en comparación con los métodos convencionales, incluidos rendimientos de reacción mejorados, consumo reducido de reactivos y facilidad para la automatización (Goyal et al., Sens. & Act. B, 2014; Hairong et al., LOC, 2014; Hairong et al., Bioconj. Chem., 2014; Zeng et al., Nuc. Mediterráneo. & Bio., 2013; Wheeler et al., LOC, 2010). Actualmente, estamos optimizando aún más los microrreactores y desarrollando un sistema integrado para uso clínico y de investigación. Este proyecto está en colaboración con el Prof. Grupo de investigación de David Reichert en el departamento de Química Radiológica de la Universidad de Washington, St. Louis.

4b. Microrreactores para síntesis de puntos cuánticos:

Las nanopartículas semiconductoras fluorescentes son prometedoras en la tecnología de iluminación y visualización de estado sólido debido a una fotoluminiscencia significativamente mayor y un mejor comportamiento espectral que la tecnología de fósforo convencional. Estas nanopartículas también tienen usos potenciales en imágenes médicas y computación cuántica. Los altos costos de producción debido en parte a la falta de métodos confiables para la producción de nanopartículas monodispersas de alta calidad actualmente inhiben en gran medida su uso generalizado. Los métodos convencionales de síntesis por lotes sufren especialmente la variación de la calidad de los nanomateriales de un lote a otro. Las síntesis por lotes, debido a la lenta transferencia de calor y masa, carecen de la capacidad de controlar con precisión el tamaño, la morfología y la composición de las nanopartículas. Los reactores de flujo continuo proporcionan una solución potencial a estos problemas. Los esfuerzos en Kenis group se centran en el desarrollo de reactores continuos de alto rendimiento que permitan tiempos de mezcla y calentamiento rápidos a altas temperaturas para sintetizar nanopartículas semiconductoras de alta calidad de composición y morfología variables. Por ejemplo, sintetizamos con éxito nanorods utilizando uno de nuestros reactores de flujo continuo (ver figura). Estamos estudiando sistemas que contienen Cd y sistemas libres de Cd, alcanzando rendimientos cuánticos de hasta el 60%, que es comparable a los productos comerciales.

(5) Tecnologías de fabricación para microfluidos

En nuestro grupo de investigación, exploramos diversas tecnologías de fabricación para avanzar en el desarrollo de dispositivos microfluídicos. El objetivo en esta área es facilitar la integración de microfluidos con aplicaciones finales. Actualmente, estamos investigando en dos direcciones:

5a. Componentes microfluídicos para mejorar la portabilidad y la escalabilidad horizontal de los dispositivos:

La llegada de los microfluídicos de integración a gran escala (VLSI) ha permitido realizar aplicaciones de varios pasos y alto rendimiento con operaciones masivas en paralelo en un solo chip. La clave de estos avances fue el desarrollo de microválvulas neumáticas, que se fabrican con técnicas litográficas blandas. A pesar de la integración exitosa de estas microválvulas neumáticas en chips microfluídicos para diversas aplicaciones, estas microválvulas requieren accesorios voluminosos, lo que limita la escalabilidad y portabilidad de estos chips microfluídicos. Abordamos estos problemas de dos maneras:

Uso de una arquitectura de válvula de cierre normal (NC) arquitectura de válvula: Los dispositivos que emplean válvulas convencionales de apertura normal (NO) tienen una portabilidad limitada en aplicaciones que requieren un estado cerrado continuo para su funcionamiento, ya que estas válvulas necesitan accesorios voluminosos (bombas, cilindros de gas nitrógeno, periféricos neumáticos) para su accionamiento. Las válvulas NC no solo abordan la limitación anterior de portabilidad restringida, sino que también conservan la facilidad de fabricación e integración en dispositivos microfluídicos. Para permitir la integración de válvulas NC, utilizamos una combinación de modelado analítico y computacional, y experimentos sistemáticos para formular reglas de diseño para desarrollar válvulas NC óptimas con el objetivo de minimizar las presiones de accionamiento y facilitar la fabricación de estas válvulas (Mohan et al., Sens. & Act. B, 2011). La figura muestra la presión de accionamiento necesaria en función del ancho del canal de fluido para diferentes formas de microválvulas (rectas, en forma de V y diagonales). Hemos utilizado estas válvulas para una variedad de aplicaciones, como la detección de virus de interacciones proteína–anticuerpo, la cristalización de proteínas, el cribado de formas sólidas y la exploración de otras aplicaciones (Schudel et al., LOC, 2011; Thorson et al., CrystEngComm, 2012; Guha et al., Sens, & Act. B, 2012; Mohan et al. Biosens. & Bioelect., 2013; Tice et al., JMEMS, 2013).

Uso de microválvulas electrostáticas para reemplazar o complementar microválvulas neumáticas: Nuestras microválvulas basadas en accionamiento electrostático conservan la huella pequeña ( 1), para espesores de membrana ™ de 5 µm. El espacio de parámetros de diseño se estima para la presencia de aire (más oscuro), aceite (eclosión) o agua (más clara) en el canal fluídico. Otra aplicación interesante que estamos explorando es el uso de microválvulas electrostáticas para controlar microválvulas neumáticas. Esta combinación de microválvulas neumáticas y electrostáticas simplificará en gran medida los accesorios y ayudará a realizar el objetivo de «laboratorio en un chip» en lugar del «chip en un laboratorio».

5b. Nuevos materiales y procesos de fabricación:

El poli (dimetilsiloxano) o PDMS ha sido el material preferido para la fabricación de dispositivos microfluídicos, principalmente porque el uso de PDMS permite la fabricación simple, rápida y económica de dispositivos con diversos grados de complejidad. Sin embargo, el PDMS adolece de varias limitaciones, una de las cuales es la incompatibilidad con una amplia gama de disolventes orgánicos y técnicas analíticas. En nuestro grupo de investigación, estamos explorando una variedad de materiales poliméricos como alternativa a los PDM para fabricar dispositivos microfluídicos; algunos de estos materiales son tioleno, copolímero de olefina cíclica y teflón. Utilizamos estos materiales para desarrollar dispositivos microfluídicos que son compatibles con una gama de disolventes orgánicos y técnicas analíticas, como rayos X y Raman. También mostramos que los dispositivos híbridos, que combinan las ventajas de diferentes materiales, son alternativas superiores a los dispositivos que comprenden uno o dos materiales.

(6) Proyectos » bio » de microfluidos emergentes

6a. Plataformas de microfluidos para espectroscopia FTIR con resolución temporal:

Nuestro objetivo general es desarrollar una tecnología microfluídica innovadora para la espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier de resolución temporal (FT-IR) de reacciones o interacciones biomoleculares. El plegamiento de proteínas, la catálisis enzimática y las interacciones proteína-ligando son fundamentales para mantener células y tejidos sanos. La raíz de muchas enfermedades crónicas o genéticas se remonta al mal funcionamiento de tales reacciones en las proteínas, por ejemplo, la formación de placa por el péptido beta – amiloide mal plegado en la enfermedad de Alzheimer.

Las investigaciones para revelar mecanismos de reacción a nivel molecular e intermolecular son esenciales para el desarrollo de nuevas terapias, desde el diseño racional del fármaco hasta su prueba; por ejemplo, las vías de plegado beta – amiloide pueden revelar objetivos en los que se pueden probar y optimizar medicamentos candidatos contra la formación de placa. La espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier (FTIR) ofrece varias ventajas en comparación con otras técnicas de espectroscopia, como la no exigencia de etiquetado extrínseco, la preparación sencilla de muestras y la fácil adquisición de una gama de información (detalles moleculares de alta resolución a interacciones proteína-proteína de baja resolución).

Sin embargo, varias limitaciones con las celdas de flujo FTIR actuales, incluida la baja resolución temporal, el costo y la necesidad de grandes volúmenes de muestra, han impedido el uso generalizado de FTIR. Abordamos estos problemas desarrollando células de flujo FITR microfluídicas a partir de materiales transparentes IR de bajo costo. Los resultados preliminares con ubiquitina han validado nuestro enfoque y estamos optimizando la célula de flujo para realizar experimentos con proteínas clínicamente relevantes. Este proyecto se realiza en colaboración con el Profesor Rohit Bhargava del Departamento de Bioingeniería.

6b. Tecnologías microfluídicas para mejorar el proceso de trasplante de islotes:

La diabetes es una enfermedad devastadora que afecta a 25,8 millones de estadounidenses (el 8% de la población). El trasplante de islotes humanos es una terapia prometedora para la diabetes mellitus tipo I (TIDM). Sin embargo, este procedimiento no es muy reproducible ni coherente. Para mejorar los resultados del trasplante de islotes, es necesario abordar varios problemas clínicos, biológicos y de ingeniería. En nuestro grupo de investigación, estamos desarrollando tecnologías microfluídicas para abordar algunos de estos problemas, incluido el mantenimiento de condiciones óptimas durante el aislamiento de los islotes del páncreas del donante, la automatización del proceso de aislamiento y separación de los islotes y la preservación de la viabilidad y funcionalidad de los islotes durante el proceso de trasplante. Este proyecto se realiza en colaboración con el grupo de investigación del Profesor José Oberholzer en la División de Cirugía de Trasplante de la Universidad de Illinois en Chicago.

6c. Plataforma microfluídica para estudios EPR de enfriamiento por congelación:

La mayoría de los fenómenos interesantes en muchas reacciones bioquímicas ocurren durante los primeros milisegundos de las reacciones, por ejemplo, la síntesis de ATP mediada por el complejo citocromo bc1. Los estudios estructurales y funcionales de estos productos intermedios en fase inicial no solo aclararán el mecanismo de estas reacciones, sino que también permitirán el diseño racional de medicamentos para tratar enfermedades y trastornos asociados con el mal funcionamiento de estas reacciones. La resonancia paramagnética electrónica de enfriamiento por congelación (EPR, por sus siglas en inglés) es una técnica poderosa para estudiar estas reacciones, donde los productos intermedios de estas reacciones se congelan rápidamente para evitar más reacciones y luego se analizan usando EPR. Sin embargo, las limitaciones del aparato actual para el EPR de enfriamiento por congelación, principalmente la mezcla lenta de reactivos, ha impedido la aplicación de esta técnica para estudiar reacciones bioquímicas ultrarrápidas. En nuestro grupo de investigación, estamos desarrollando un dispositivo microfluídico para la mezcla rápida de reactivos (~20 µs) y la posterior eyección de los reactivos mezclados en forma de chorro ultrafino sobre una configuración de rueda de cobre congelada. Hemos validado este enfoque con un modelo de reacción bioquímica y estamos explorando la aplicación de reacciones bioquímicas clínicamente relevantes. Este proyecto se realiza en colaboración con el profesor Tony Crofts, del Departamento de Bioquímica.

6d. Determinación de las interacciones farmacéutico-objetivo:

Toda la biología, y por extensión toda la farmacología, depende de la interacción de las proteínas con otras moléculas. La Resonancia paramagnética electrónica (EPR) combinada con el Etiquetado de Espín (SLEPR) se puede usar para detectar tales interacciones en tiempo real, in vitro o in vivo, y para rastrear la relación de proteínas unidas a proteínas no unidas, con una perturbación mínima de la biología. Esto lo convierte en una herramienta ideal para estudiar directamente los efectos de los agentes farmacéuticos en su objetivo biológico y en los sistemas bioquímicos relacionados, mejorando la precisión de las predicciones de desarrollo en etapas tempranas de la eficacia y la toxicidad de los candidatos a medicamentos. Sin embargo, los métodos actuales de laboratorio húmedo para la preparación de las muestras pequeñas requeridas por los espectrómetros EPR tienden a ser derrochadores, imprecisos y lentos (tardan 24 horas o más). En nuestro grupo estamos desarrollando dispositivos para el etiquetado rápido y preciso de proteínas, aprovechando al máximo la naturaleza combinatoria de los chips microfluídicos para crear una serie de muestras a múltiples concentraciones o con una variedad de socios, e incorporando cultivos celulares en chip cuando sea necesario. Este proyecto se realiza en colaboración con New Liberty Proteomics.