Inginerie Chimică și Biomoleculară

cercetare Paul Kenis

sisteme microchimice: Microreactoare, celule Microfuel și instrumente microfluidice

grupul de cercetare Kenis

în grupul de cercetare Kenis, exploatăm capacitatea de control rafinat asupra fenomenelor de transport la microscală pentru a studia fenomenele fundamentale (inclusiv chimia proteinelor, biologia celulară) și pentru a dezvolta tehnologii noi pentru o serie de aplicații, inclusiv conversia energiei, sinteza chimică și studii biologice fundamentale. Pentru a efectua cercetări în aceste domenii interdisciplinare, am dezvoltat expertiză de bază în caracterizarea sistemelor electrochimice, microfabricarea, tehnologiile microfluidice, precum și modelarea analitică și computațională a fenomenelor de transport și tehnici analitice și de caracterizare a materialelor, cum ar fi diferite tipuri de spectroscopie și microscopie.

în prezent, grupul desfășoară proiecte de cercetare în următoarele domenii:

1. Sisteme electrochimice pentru Conversia dioxidului de carbon și pile de combustie
2. Platforme microfluidice pentru cristalizarea proteinelor și produselor farmaceutice
3. Platforme microfluidice pentru studierea proceselor inter și intra-celulare
4. Microreactoare pentru sinteza chimică
5. Tehnologii de fabricare a microfluidelor
6. Proiecte ‘bio’ microfluidice emergente

1. Sisteme electrochimice pentru Conversia dioxidului de carbon și pile de combustie

1A. reducerea electrochimică a CO2:

nivelurile de CO2 din atmosferă au crescut constant, ceea ce a dus la un impact negativ asupra climei globale. Strategii Multiple, cum ar fi captarea și sechestrarea carbonului, trecerea la combustibili mai curați, extinderea utilizării surselor regenerabile de energie și creșterea eficienței energetice a clădirilor, trebuie utilizate simultan pentru a reduce această creștere. Reducerea electrochimică a CO2 în substanțe chimice cu valoare adăugată sau intermediari ai acestora este o altă abordare pentru a aborda această provocare. Acest proces poate fi condus de excesul de energie din surse regenerabile intermitente, oferind astfel un mijloc de stocare a excesului de energie regenerabilă intermitentă, reciclând simultan CO2 ca purtător de energie. Mai mult, prin utilizarea CO2 ca materie primă pentru producția chimică, dependența societății de combustibilii fosili este redusă.

pentru reducerea electrochimică a CO2, grupul nostru își propune să îmbunătățească selectivitatea produsului, eficiența energetică și rata de conversie prin dezvoltarea de catalizatori noi, aplicarea de electroliți adecvați și optimizarea structurii electrodului și a proiectării reactorului. De exemplu, am scăzut suprapotențialul celulei la mai puțin de 0.2 V prin utilizarea unei soluții apoase care conține tetrafluoroborat de 1-etil-3-metilimidazoliu (EMIM BF4), care probabil stabilizează un intermediar de reacție (Rosen și colab. Știință, 2011). De asemenea, am dezvoltat catalizatori organometalici pe bază de argint care prezintă o activitate catalitică ridicată la Încărcare Ag scăzută (Thorson și colab., J. Am. Chem. Soc., 2012). Ca material suport, TiO2 este utilizat pentru a minimiza dimensiunea particulelor Ag și pentru a crește activitatea catalizatorului, rezultând o încărcare AG drastic mai mică, fără a sacrifica performanța în vederea reducerii CO2 la CO (Ma și colab., ChemSusChem, 2014). De asemenea, ingineria structurii stratului de catalizator oferă o abordare pentru a maximiza utilizarea catalizatorului și performanța generală. O metodă automată de depunere a catalizatorului cu aerograf a condus la performanțe ridicate la reducerea CO2 cu încărcare redusă a catalizatorului, în timp ce evoluția nedorită a H2 a fost suprimată (Jhong și colab., Adv. Energie Mater., 2013).

în prezent continuăm cercetarea către catalizatori, electrozi și condiții de funcționare mai bune pentru Conversia electrochimică a CO2 în substanțe chimice de interes. O parte din această lucrare este în colaborare cu alții: Nakashima, Lyth în Kyushu, Japonia; și bogat Masel la materiale cu dioxid.

1B. Pile de combustie:

(2) platformele microfluidice pentru cristalizarea proteinelor sau a produselor farmaceutice

cristalizarea proteinelor și a produselor farmaceutice poate deveni rapid foarte costisitoare din cauza cantităților mari de material necesare pentru screening pentru condiții optime de cristalizare. În ciuda disponibilității instrumentelor de screening robotizate automatizate de cristalizare care pot utiliza picături de dimensiuni nanoliter, investiția mare în capital necesară face ca astfel de instrumente să fie practice doar pentru câteva laboratoare bine finanțate sau centre de cristalizare. Platformele noastre microfluidice pentru cristalizarea proteinelor și a produselor farmaceutice (i) permit screeningul cu randament ridicat și optimizarea condițiilor de cristalizare în timp ce se utilizează câțiva nanolitri pe proces; (ii) sunt o alternativă simplă de utilizat și rentabilă la roboții de cristalizare pentru laboratorul mediu; și (iii) sunt compatibile cu tehnicile analitice prin selectarea adecvată a materialelor (de exemplu, transmisie ridicată a razelor X, UV și IR). Fiind transparente cu raze X, cipurile noastre pot fi montate direct într-un fascicul de raze X pentru colectarea datelor, ocolind etapa de recoltare manuală a cristalelor. Platformele noastre microfluidice permit studii ale științei fundamentale a cristalizării (însămânțarea cristalelor, nucleația și ratele de creștere), precum și știința aplicată (analiza structurală, screeningul formei solide) atât pentru cristalizarea proteinelor, cât și pentru cea farmaceutică.

2A. cristalizarea proteinelor cu membrană:

proteinele membranare (MPs) locuiesc în membrana celulară și acționează ca mediatori pentru semnalul, energia și transducția materialului în și din celulă. Nu este surprinzător faptul că funcționarea defectuoasă a proteinelor membranare a fost legată de numeroase boli (Quick și Javitch, PNAS, 2007). MPs sunt, prin urmare, ținte comune de droguri. Diverse analize au indicat că MPs constituie aproape 30% din proteinele codificate în genomul Escherichia coli, Saccharomyces cerevisae și Homo sapiens (Seddon și colab., BBA-Biomembrane, 2004). în ciuda preponderenței lor copleșitoare în celulă, MPs reprezintă mai puțin de 1% din structurile proteice depuse în Banca de date a proteinelor. Determinarea structurii proteinelor membranare a fost împiedicată de dificultăți în obținerea unor cantități suficiente de proteine din cauza abundenței scăzute și a amfifilicității lor inerente și a dificultăților ulterioare de cristalizare. În grupul nostru, am dezvoltat platforme microfluidice transparente cu raze X pentru cristalizarea in surfo și în meso MP. În plus, cercetarea noastră include platforme transparente cu raze X care permit studiul diagramelor de fază cubică lipidică și screeningul matricei microseed, două tehnici de cristalizare puternice, dar de obicei inaccesibile pentru proteinele membranare. Scopul general al cercetării noastre este de a cristaliza cristale mari, bine ordonate („difracție-calitate”) pentru analiza cu raze X și elucidarea structurii. Am cristalizat mai multe ținte și le-am rezolvat structurile folosind datele colectate exclusiv pe cip eforturile actuale sunt axate pe cristalizarea proteinelor membranei respiratorii în colaborare cu Prof. Robert Gennis, Departamentul de Biochimie.

2B. screeningul formei solide a produselor farmaceutice candidate:

în primele etape ale descoperirii medicamentelor farmaceutice, oamenii de știință caută forme solide de ingrediente farmaceutice active (API) care au proprietăți fizice și chimice adecvate (adică solubilitate, biodisponibilitate, stabilitate) care se pot deplasa ulterior prin conducta de dezvoltare a medicamentelor. Din păcate, succesul în găsirea unei forme solide cristaline a unui API cu proprietăți optimizate folosind proceduri convenționale de screening (plăci de sondă) este limitat de cantitatea mică de API disponibilă în primele etape ale descoperirii medicamentelor. Pentru a aborda această problemă, am dezvoltat platforme microfluidice pentru screeningul formei solide farmaceutice cu obiectivele (i) reducerea cantității de ingrediente farmaceutice active (API) necesare pentru screeningul formei solide, (ii) creșterea compatibilității între platforma de screening a formei solide și instrumentele analitice și (iii) determinarea dacă o abordare microfluidică a screeningului formei solide permite elucidarea formelor solide noi. Am validat platforme microfluidice bazate pe difuzia interfeței libere (Thorson și colab., LOC, 2011)și evaporarea controlată (Goyal și colab., LOC, 2013) care reduc cantitatea de API necesară pentru fiecare condiție de screening a formei solide cu un ordin de mărime (de la 5 mg la 5 hectog pentru fiecare condiție), cu rezultate comparabile cu experimentele tradiționale de screening a formei solide bazate pe evaporare. Reducerea cantității de eșantion permite oamenilor de știință să efectueze ecrane de formă solidă Mai devreme în procesul de descoperire a medicamentelor atunci când sunt disponibile cantități minime de API și permite un ecran mai extins care să permită descoperirea unor forme solide noi. Am proiectat platformele microfluidice pentru a fi transparente optic, permițând identificarea ușoară a solidelor cristaline și pentru a arăta un semnal minim în spectroscopia Raman și difracția cu raze X, permițând identificarea pe cip a formelor solide (Goyal și colab. Crys. Creștere & Des., 2012). În prezent, urmărim cercetări pentru rezolvarea structurilor cristaline ale cocristalelor necunoscute prin utilizarea platformei noastre microfluidice pentru a crește cristale de calitate a difracției. Această lucrare este în colaborare cu AbbVie.

(3) platformele microfluidice pentru studii celulare

platformele microfluidice oferă mai multe caracteristici care facilitează mai bine studierea proceselor celulare și intercelulare în comparație cu tehnicile tradiționale pe bază de plăci petri sau plăci de sondă. Exemplele includ capacitatea de a studia celulele unice în medii foarte controlate, controlul superior asupra micromediului celular în spațiu și timp și integrarea convenabilă cu diferite tipuri de microscopie. În grupul nostru, dezvoltăm platforme microfluidice pentru următoarele aplicații:

3a. Testarea sensibilității la antibiotice:

tratamentul eficient al infecțiilor clinice depinde în mod critic de capacitatea de a examina rapid probele pacienților pentru a identifica susceptibilitatea agenților patogeni infecțioși la antibiotice. Metodele existente pentru testarea sensibilității la antibiotice (AST) suferă de mai multe probleme, inclusiv timpi lungi de răspuns (zile), consum excesiv de probă și reactiv, sensibilitate slabă la detectare și capacități combinatorii limitate. Acești factori împiedică administrarea în timp util a antibioticelor adecvate, complicând gestionarea infecțiilor și exacerbând dezvoltarea rezistenței la antibiotice.

pentru a aborda aceste probleme, dezvoltăm platforme microfluidice pentru AST care oferă mai multe avantaje în comparație cu metodele convenționale, inclusiv sensibilitate mai mare la detecție, rezultate rapide (<6 ore), consum redus de reactivi și rezultate mai cantitative. De exemplu, în colaborare cu Prof. Schroeder am folosit platformele noastre microfluidice pentru studierea susceptibilității diferitelor bacterii patogene, cum ar fi E. coli, P. aeruginosa și K. pneumoniae, împotriva diferitelor antibiotice (Mohan și colab. Biosens. & Bioelect., 2013). De asemenea, am folosit platforma pentru a studia interacțiunea dintre diferite specii de bacterii (culturi polimicrobiene) și efectul acestor interacțiuni asupra susceptibilității la antibiotice. În prezent, aplicăm platforma microfluidică împreună cu utilizarea datelor experimentale rezultate pentru modelarea farmacocinetică – farmacodinamică (PK/PD) pentru a oferi informații mai bune despre cea mai bună modalitate de a trata o anumită infecție.

3B. studierea celulelor în condiții controlate de oxigen:

pe măsură ce tumorile cresc spre exterior, departe de arhitectura vasculară locală, formarea regiunilor hipoxice variabile (oxigenarea țesuturilor sub-fiziologice) apar pe toată masa solidă. Aceste regiuni hipoxice au fost asociate cu rezistența terapeutică, reprogramarea metabolică și tranziția epitelio-mezenchimală. Multe întrebări rămân cu privire la efectele hipoxiei asupra acestor rezultate, totuși doar câteva metode permit atât controlul precis asupra concentrației de oxigen, cât și imagistica în timp real a comportamentului celular. Platformele microfluidice sunt deosebit de potrivite pentru controlul concentrației de oxigen, permițând în același timp imagistica în timp real datorită controlului lor asupra condițiilor chimice temporale și spațiale. În plus față de controlul asupra micromediului local, scara de lungime redusă în platformele microfluidice în comparație cu metodele convenționale oferă timpi de echilibrare mai scurți. Folosind avantajele platformelor microfluidice, am dezvoltat un dispozitiv echipat capabil să controleze concentrația de oxigen de la 0,5% la 21%. În colaborare cu profesorul Rex Gaskins (Departamentul de științe ale animalelor), folosim aceste platforme pentru a studia modificările în timp real ale potențialului redox organelar în celulele canceroase sub hipoxie.

(4) sinteza chimică în microreactori

Microreactorii oferă mai multe avantaje pentru studiul și executarea efectivă a sintezei chimice în comparație cu abordările tradiționale ‘wet-lab’. De exemplu, platformele mai mici, proiectate cu precizie, asigură un transfer sporit de căldură și masă, un consum redus de reactivi și sunt mai susceptibile de automatizare. În grupul nostru, dezvoltăm microreactoare pentru următoarele aplicații:

4a. sinteza produselor radiofarmaceutice:

produsele radiofarmaceutice sunt o clasă de medicamente utilizate în diagnosticul și tratamentul mai multor boli și tulburări, inclusiv anumite tipuri de cancer și boli de inimă. Cantitățile de precursori pentru sinteza acestor medicamente sunt de obicei mici (câțiva microlitri) datorită disponibilității limitate, costurilor ridicate și limitelor superioare ale cantității de radioactivitate care poate fi manipulată în siguranță. Incapacitatea metodelor convenționale de laborator umed de a manipula eficient volumele scăzute de reactivi nu numai că duce la sinteza medicamentelor de calitate scăzută pentru aplicații clinice, dar împiedică și dezvoltarea de noi medicamente. Încercăm să abordăm aceste probleme dezvoltând tehnologii microfluidice, sau mai bine microreactoare, pentru sinteza acestor produse radiofarmaceutice. Prin integrarea diferitelor module microfluidice, ne imaginăm că acești compuși pot fi făcuți mult mai fiabil și la un randament mai mare.

am arătat că tehnologiile microfluidice oferă mai multe avantaje pentru fiecare etapă în comparație cu metodele convenționale, inclusiv randamente îmbunătățite de reacție, consum redus de reactivi și amenabilitate pentru automatizare (Goyal și colab., Sens. & Act. B, 2014; Hairong și colab., LOC, 2014; Hairong și colab., Bioconj. Chem., 2014; Zeng și colab., Nuc. Med. & Bio., 2013; Wheeler și colab., LOC, 2010). În prezent, optimizăm în continuare microreactorii și dezvoltăm un sistem integrat de utilizare clinică și de cercetare. Acest proiect este în colaborare cu Prof. Grupul de cercetare al lui David Reichert din cadrul Departamentului de Chimie radiologică de la Universitatea Washington, St.Louis.

4b. Microreactoare pentru sinteza punctelor cuantice:

nanoparticulele semiconductoare fluorescente arată promisiune în tehnologia de iluminare și afișare în stare solidă datorită fotoluminiscenței semnificativ mai mari și a unui comportament spectral mai bun decât tehnologia convențională cu fosfor. Aceste nanoparticule au, de asemenea, utilizări potențiale în imagistica medicală și calculul cuantic. Costuri ridicate de producție datorate în parte lipsei de metode fiabile pentru producerea de înaltă calitate, nanoparticulele monodisperse inhibă în prezent foarte mult utilizarea lor pe scară largă. Metodele convenționale de sinteză a loturilor suferă în special de variația lot-la-lot a calității nanomaterialelor. Sintezele de lot, datorită căldurii lente și transferului de masă, nu au capacitatea de a controla cu precizie dimensiunea, morfologia și compoziția nanoparticulelor. Reactoarele cu flux continuu oferă o soluție potențială la aceste probleme. Eforturile Grupului Kenis se concentrează pe dezvoltarea de reactoare continue cu randament ridicat, care permit timpi rapizi de amestecare și încălzire la temperaturi ridicate pentru a sintetiza nanoparticule semiconductoare de înaltă calitate, cu compoziție și morfologie variate. De exemplu, am sintetizat cu succes nanoroduri folosind unul dintre reactoarele noastre cu flux continuu (vezi figura). Studiem atât sistemele care conțin Cd, cât și cele fără Cd, atingând randamente cuantice de până la 60%, ceea ce este comparabil cu produsele comerciale.

(5) tehnologii de fabricație pentru microfluidice

în grupul nostru de cercetare, explorăm diverse tehnologii de fabricație pentru a avansa dezvoltarea dispozitivelor microfluidice. Accentul în acest domeniu este de a facilita integrarea microfluidicelor cu aplicațiile finale. În prezent, urmărim cercetarea în două direcții:

5A. componente microfluidice pentru a spori portabilitatea și scalarea dispozitivelor:

apariția microfluidicelor de integrare la scară foarte mare (VLSI) a permis efectuarea aplicațiilor în mai multe etape și cu randament ridicat, cu operații masive paralele, pe un singur cip. Cheia acestor progrese a fost dezvoltarea microvalvelor pneumatice, care sunt fabricate cu tehnici litografice moi. În ciuda integrării cu succes a unor astfel de microvalve pneumatice în cipuri microfluidice pentru diverse aplicații, aceste microvalve necesită accesorii voluminoase, care limitează scalabilitatea și portabilitatea acestor cipuri microfluidice. Abordăm aceste probleme în două moduri:

utilizarea unei arhitecturi de supape normal închise (NC) arhitectura supapei: dispozitivele care utilizează supape convenționale normal deschise (nu) au o portabilitate limitată în aplicații care necesită o stare închisă continuă pentru funcționare, deoarece aceste supape au nevoie de accesorii voluminoase (pompe, butelii de gaz cu azot, periferice pneumatice) pentru acționare. Supapele NC nu numai că abordează limitarea de mai sus a portabilității restricționate, dar păstrează și ușurința fabricării și integrării în dispozitivele microfluidice. Pentru a permite integrarea supapelor NC, Am folosit o combinație de modelare analitică și computațională și experimente sistematice pentru a formula reguli de proiectare pentru dezvoltarea supapelor NC optime cu scopul de a minimiza presiunile de acționare și de a facilita fabricarea acestor supape (Mohan și colab., Sens. & Act. B, 2011). Figura prezintă presiunea de acționare necesară în funcție de lățimea canalului de fluid pentru diferite forme de microvalve (drepte, în formă de v, șidiagonal). Am folosit aceste supape pentru o varietate de aplicații, cum ar fi interacțiunile proteină–anticorp detectarea virusului, cristalizarea proteinelor, screeningul formei solide și explorarea altor aplicații (Schudel și colab., LOC, 2011; Thorson și colab., CrystEngComm, 2012; Guha și colab., Sens, & Act. B, 2012; Mohan și colab., Biosens. & Bioelect., 2013; Tice și colab., JMEMS, 2013).

utilizarea microvalvelor electrostatice pentru înlocuirea sau completarea microvalvelor pneumatice: Microvalvele noastre bazate pe actionare Electrostatica pastreaza amprenta mica (1), pentru grosimi de membrana de 5 mm. Spațiul parametrului de proiectare este estimat pentru prezența aerului (mai întunecat), a uleiului (eclozat) sau a apei (mai ușoare) în canalul fluidic. O altă aplicație interesantă pe care o explorăm este utilizarea microvalvelor electrostatice pentru controlul microvalvelor pneumatice. Această combinație de microvalve pneumatice și electrostatice va simplifica foarte mult accesoriile și va ajuta la realizarea obiectivului ‘lab-in-a-chip’, mai degrabă decât ‘chip-in-a-lab’.

5b. Materiale noi și procese de fabricație:

Poli (dimetilsiloxan) sau PDMS a fost materialul preferat pentru fabricarea dispozitivelor microfluidice, în principal deoarece utilizarea PDMS permite fabricarea simplă, rapidă și ieftină a dispozitivelor cu diferite grade de complexitate. Cu toate acestea, PDMS suferă de mai multe limitări, una cheie fiind incompatibilitatea cu o gamă largă de solvenți organici și tehnici analitice. În grupul nostru de cercetare, explorăm o varietate de materiale polimerice ca o alternativă la PDMS pentru fabricarea dispozitivelor microfluidice; unele dintre aceste materiale sunt tiolen, copolimer ciclic-olefină și Teflon. Am folosit aceste materiale pentru a dezvolta dispozitive microfluidice compatibile cu o serie de solvenți organici și tehnici analitice, cum ar fi raze X și Raman. De asemenea, arătăm că dispozitivele hibride, care combină avantajele diferitelor materiale, sunt alternative superioare dispozitivelor care conțin unul sau două materiale.

(6) proiecte ‘bio’ microfluidice emergente

6a. platforme microfluidice pentru spectroscopie FTIR cu rezolvare în timp:

scopul nostru general este de a dezvolta o tehnologie microfluidică inovatoare pentru spectroscopia în infraroșu (FT-IR) cu transformare Fourier rezolvată în timp a reacțiilor sau interacțiunilor biomoleculare. Plierea proteinelor, cataliza enzimatică și interacțiunile proteine-ligand sunt esențiale pentru menținerea celulelor și țesuturilor sănătoase. Rădăcina multor boli cronice sau genetice poate fi urmărită înapoi la funcționarea defectuoasă a unor astfel de reacții în proteine – de exemplu, formarea plăcii prin peptida beta-amiloidă îndoită în boala Alzheimer.

investigațiile pentru a dezvălui mecanismele de reacție la nivel molecular și intermolecular sunt esențiale pentru dezvoltarea de noi terapii de la proiectarea rațională a medicamentelor, precum și la testarea lor – de exemplu, căile de pliere beta-amiloid pot dezvălui ținte pe care medicamentele candidate împotriva formării plăcii pot fi testate și optimizate. Spectroscopia cu infraroșu cu transformare Fourier (FTIR) oferă mai multe avantaje în comparație cu alte tehnici de spectroscopie, inclusiv non-cerința etichetării extrinseci, pregătirea simplă a eșantionului și achiziționarea ușoară a unei game de informații (detalii moleculare de înaltă rezoluție până la interacțiuni proteină-proteină cu rezoluție scăzută).

cu toate acestea, mai multe limitări ale celulelor curente de flux FTIR, inclusiv rezoluția redusă a timpului, costul și cerința volumelor mari de eșantioane, au împiedicat utilizarea pe scară largă a FTIR. Abordăm aceste probleme prin dezvoltarea celulelor de flux microfluidic FITR din materiale transparente IR cu costuri reduse. Rezultatele preliminare cu ubiquitin au validat abordarea noastră și optimizăm celula de flux pentru efectuarea de experimente cu proteine relevante clinic. Acest proiect este în colaborare cu Prof. Rohit Bhargava în cadrul Departamentului de Bioinginerie.

6B. tehnologii microfluidice pentru îmbunătățirea procesului de transplant de insule:

diabetul este o boală devastatoare care afectează 25,8 milioane de americani (8% din populație). Transplantul de insule umane este o terapie promițătoare pentru diabetul zaharat de tip I (TIDM). Cu toate acestea, această procedură nu este foarte reproductibilă și consecventă. Pentru a îmbunătăți rezultatele transplantului de insule, trebuie abordate mai multe probleme clinice, biologice și inginerești. În grupul nostru de cercetare, dezvoltăm tehnologii microfluidice pentru a aborda unele dintre aceste probleme, inclusiv menținerea condițiilor optime în timpul izolării insulelor de pancreasul donator, automatizarea procesului de izolare și separare a insulelor și păstrarea viabilității și funcționalității insulelor în timpul procesului de transplant. Acest proiect este în colaborare cu grupul de cercetare al Prof.Jose Oberholzer în Divizia de Chirurgie a transplantului de la Universitatea Illinois din Chicago.

6C. platformă microfluidică pentru studii EPR de congelare-stingere:

majoritatea fenomenelor interesante din multe reacții biochimice apar în primele câteva milisecunde ale reacțiilor, de exemplu, sinteza ATP mediată de complexul citocromului bc1. Studiile structurale și funcționale ale acestor produse intermediare în stadiu incipient nu numai că vor elucida mecanismul acestor reacții, dar vor permite și proiectarea rațională a medicamentelor pentru tratarea bolilor și tulburărilor asociate cu funcționarea defectuoasă a acestor reacții. Rezonanța paramagnetică a electronilor prin congelare (EPR) este o tehnică puternică pentru a studia aceste reacții, unde produsele intermediare ale acestor reacții sunt înghețate rapid pentru a preveni reacțiile ulterioare și analizate ulterior folosind EPR. Cu toate acestea, limitările aparatului actual pentru EPR de congelare-stingere, în principal amestecarea lentă a reactivilor, au împiedicat aplicarea acestei tehnici pentru a studia reacțiile biochimice ultra-rapide. În grupul nostru de cercetare, dezvoltăm un dispozitiv microfluidic pentru amestecarea rapidă a reactivilor (~20 ILC) și ejecția ulterioară a reactivilor amestecați sub forma unui jet ultra-subțire pe o roată de cupru înghețată. Am validat această abordare cu un model de reacție biochimică și explorăm aplicarea reacțiilor biochimice relevante clinic. Acest proiect este în colaborare cu Prof. Tony Crofts de la Departamentul de Biochimie.

6d. determinarea interacțiunilor farmaceutice-țintă:

toată Biologia și, prin extensie, toată farmacologia, depind de interacțiunea proteinelor cu alte molecule. Rezonanța paramagnetică electronică (EPR) combinată cu etichetarea Spin (SLEPR) poate fi utilizată pentru a detecta astfel de interacțiuni în timp real, in vitro sau in vivo și pentru a urmări raportul dintre proteinele legate și cele nelegate, cu o perturbare minimă a biologiei. Acest lucru îl face un instrument ideal pentru a studia direct efectele agenților farmaceutici asupra țintei lor biologice și asupra sistemelor biochimice conexe, îmbunătățind acuratețea predicțiilor de dezvoltare în stadiu incipient ale eficacității și toxicității candidaților la medicamente. Cu toate acestea, metodele actuale de laborator umed pentru prepararea probelor mici cerute de spectrometrele EPR tind să fie risipitoare, imprecise și lente (luând 24 de ore sau mai mult). În grupul nostru dezvoltăm dispozitive pentru etichetarea rapidă și precisă a proteinelor, profitând din plin de natura combinatorie a cipurilor microfluidice pentru a crea o serie de probe la concentrații multiple sau cu o varietate de Parteneri și încorporând culturi celulare pe cip atunci când este necesar. Acest proiect este în colaborare cu New Liberty Proteomics.