Scena, w której najpierw tytułowy bohater Mrówki Z , a potem również jego wybranka zostają „uwięzieni” w jednej, niewielkiej kropli wody i za nic nie mogą się z niej wydostać, należy z pewnością do najbardziej widowiskowych w tej bijącej przed laty rekordy popularności filmowej animacji, nic więc dziwnego, że prof. Piotrowi Garsteckiemu zapadła głęboko w pamięć. Przywołuje ją w okamgnieniu, pytany o… pole swoich naukowych eksploracji. Nie, nie zajmuje się ani mrówkami, ani żadnymi innymi owadami, za to wszelkimi kropelkami, pęcherzykami czy bąbelkami – i owszem. Dowodząc przy tym, że takie bajkowe efekty z ich udziałem, dzięki zjawiskom kapilarnym, są możliwe również w rzeczywistości.

– Każda kropelka, niezależnie jakiej cieczy, czy to wody, oleju, czy krwi, może stanowić samodzielny bioreaktor. Dzięki technikom mikroprzepływowym możemy takimi kropelkowymi reaktorami manipulować oraz obserwować reakcje chemiczne w mikroskali i ich zmienność pod wpływem różnych czynników, jak temperatura czy naświetlenie – wnikliwie tłumaczy, obserwując na mojej twarzy niemałe zdziwienie.

Mikrokorek w mikrokanale

Długo się więc nie zastanawia i prowadzi do swojej pracowni w Instytucie Chemii Fizycznej PAN, gdzie na początek serwuje kilka krótkich, ledwie kilkunastosekundowych filmów, które bardziej niż z amerykańskimi animacjami mogłyby konkurować z grami komputerowymi sprzed lat. Od poruszających się jedno– i wielobarwnych obiektów można dostać oczopląsu. To właśnie minikrople, które transportowane są w kanalikach wypełnionych płynem. Różnica ciśnień w układzie wyznacza kierunek poruszania. Geometria kanalików też się zmienia: a to poskręcane niczym górska serpentyna, a to przypominające rzeczne meandry, a to wreszcie zwykłe, proste, podobne trochę do siatki miejskich ulic – jedna główna i kilka podporządkowanych. To skojarzenie nie jest wcale pozbawione sensu. Inżynieria mikroprzepływów, polegających na przepuszczaniu płynu nośnego z kropelkami zawierającymi odczynniki chemiczne przez odpowiednio zaprojektowane układy kanalików, ma wiele wspólnego z inżynierią… ruchu.

– Kiedy pracujemy nad układami, mającymi służyć jakiemuś konkretnemu celowi, wówczas kierujemy ruchem w mikroskali. Angażowanie automatyki i elektroniki do sterowania kropelkami jest dla nas bardzo istotnym aspektem badań, zaś fascynaci konstrukcji układów laboratoryjnych są zawsze u nas mile widziani.

Tyle że, o ile sterowanie ruchem ulicznym jest ze wszech miar pożądane, o tyle kierowanie mikroprzepływami – już nie zawsze. Równie ciekawe mogą być obserwacje tego, co się dzieje, kiedy układ płynących kropelek reguluje się sam. O dziwo, podobnie jak na drodze, i tu zdarzają się… korki.

– Wydawałoby się, że nie ma nic bardziej banalnego niż kilka kropelek płynących prostą siecią mikrokanalików. Okazuje się, że tak prosty układ tworzy przepięknie skomplikowaną dynamikę, która wymyka się prostemu zrozumieniu – ze szczyptą filozofii opowiada, jak efektownie może wyglądać działanie takiego układu. Samo jego opracowanie nie jest już takie łatwe, bo trzeba wiedzieć, że wszystko odbywa się w rurkach o średnicy w zakresie od jednej setnej do kilku dziesiątych części milimetra. To tyle, co grubość ludzkiego włosa. Dzięki połączeniu pod kątem prostym dwóch takich kanalików (z czego jeden doprowadza fazę nośną, drugi – kropelkową), możliwe staje się tworzenie kropelek.

Ulga dla hemofoba

Z ledwie kilku mililitrów płynu można wygenerować nawet miliardy kropel o objętości od piko– do nanolitrów. Przy czym nie zawsze jest tak, że im ich więcej, tym lepiej.

– Owszem, zasada ta się sprawdza, gdy w każdej kropelce chcemy zamknąć np. pojedynczą komórkę albo pojedynczy łańcuch DNA i tworzymy ogromne kropelkowe biblioteki mutantów, z których później wybiera się najbardziej interesujące okazy. Natomiast zdarza się, że pracujemy także na mniejszej, mierzonej w setkach, liczbie kropel. Wówczas każdy taki kropelkowy reaktor kontrolowany jest podobnie jak makroskopowe urządzenia – podkreśla kierownik Grupy Badawczej Mikroprzepływów i Płynów Złożonych.

Zajmują się w niej projektowaniem mikroukładów i systemów sterowania, rejestracją optyczną ultraszybkich procesów transportowych w mikro– i nanoskali, takich jak przepływy czy dyfuzja, wreszcie implementacją reakcji chemicznych i procesów biologicznych w kropelkowych reaktorach. Paradoksalnie to małe kropelki, a nie wielkoskalowe obiekty, pozwalają na więcej.

– Najważniejsze jest to, że przepływy są laminarne, nic ich nie zakłóca, a krople poruszają się wzdłuż kanałów w ściśle kontrolowany sposób – zaznacza prof. Garstecki.

Nie mniej istotne jest ograniczenie objętości odczynników potrzebnych do przeprowadzenia eksperymentu. Miniaturyzacja reakcji sprawia, że tworząc ogromne biblioteki bardzo małych kropelek, można przeprowadzić wiele – i to liczonych nie w tysiącach czy milionach, lecz miliardach – reakcji z jednej tylko, dajmy na to, mililitrowej próbki. Dla przemysłu farmaceutycznego czy biotechnologii, gdzie bez losowego przesiewania takich komórkowych baz obejść się nie sposób, techniki mikroprzepływowe to niemal jak wynalezienie prochu. Wystarczy wyobrazić sobie szukanie wśród kilku milionów mutacji takiej, która będzie najszybciej degradowała daną pożywkę na wysypisku śmieci bądź takiej, której zadaniem jest unicestwienie patogennego wirusa. Probówki na niewiele się tu zdadzą, bo przy tak dużym katalogu sortowanie „kandydatów” ciągnęłoby się w nieskończoność. O wiele szybciej i precyzyjniej cel można osiągnąć, stosując właśnie mikroprzepływy.

Techniki manipulacji mikrokropelkowymi reaktorami znajdują również zastosowania w diagnostyce medycznej. Umożliwiają bowiem przeprowadzenie całych paneli badań diagnostycznych, zachowując przy tym podobną, co w klasycznej wersji, precyzję wyników. Któż by nie chciał odczytywania poziomu złego i dobrego cholesterolu, enzymów wątrobowych, glukozy, nie z aż kilku mililitrów krwi – jak tradycyjnie, co niejednego hemofoba przyprawia o dreszcze – lecz z jednej zaledwie kropelki, po której w dodatku na palcu nie pozostanie żaden ślad.

Wymieniając kolejne potencjalne zastosowania mikrokropelek, mój rozmówca zwraca szczególną uwagę na syntezę organiczną.

– Wydawałoby się, że mała objętość reaktora raczej nie pozwala na zastosowania w przemysłowej produkcji. Okazuje się jednak, że zamiast budować jeden wielki reaktor, warto multiplikować w tysiącach sztuk malutkie układy, w których podróżują kropelkowe reaktory. Można wtedy doskonale kontrolować warunki reakcji, a w obliczu awarii czy wybuchu nie załamuje się cały system, lecz jedynie jego mały element, który można łatwo wymienić – zachwala.

Do tego w takim kropelkowym reaktorze można prowadzić wiele różnych procesów, od analizy chemicznej poczynając, przez analizę materiału genetycznego, krystalizację białek, aż na hodowlach bakterii skończywszy.

– Potrafimy w kropelkach tworzyć zarówno unikalne światy, w których wzrastają kolonie bakterii, jak i zamykać pojedyncze komórki – w jednym zdaniu zawiera potencjał swojego zespołu, pokazując jednocześnie, w czym tkwi istota rzeczy. Za przykład służy mu zawiesina z bakterii, do której dodano antybiotyk. Kilkanaście mikrolitrów wpuszczane jest najpierw do układu, po czym strumień wody rozbija tę zawiesinę na pojedyncze kropelki. Wszystkie są identyczne, zawierają w sobie taką samą kolekcję mutantów.

– W każdej z nich przetestujemy działanie innej kombinacji leków, wybierając ostatecznie tę najbardziej optymalną z punktu widzenia założonych celów – skrupulatnie wyjaśnia.

Światłem albo… frezarką

Sieć mikroduktów, którymi płyną owe kropelki, to za każdym razem autorska koncepcja tworzona przez magistrantów, doktorantów i młodych doktorów, jednym słowem wspomnianych już wcześniej fascynatów konstrukcji takich laboratoryjnych układów. Wykonuje się je dwojako. Metoda fotolitografii polega na precyzyjnym naświetlaniu płytek krzemowych pokrytych warstwą fotorezystu, a następnie ich wytrawieniu. Otrzymane w ten sposób matryce służą do odciskania zaprojektowanego układu we właściwym tworzywie. Innym sposobem jest… frezowanie, podczas którego frezami o średnicy od 100 mikrometrów rzeźbi się kanaliki w płytce polimerowej. Po trzech latach, od kiedy podopieczni prof. Garsteckiego zaczęli numerować układy, ich liczba przekroczyła tysiąc. Stworzenie sieci kanalików nie wieńczy jednak dzieła. Dużo czasu trzeba jeszcze poświęcić na modyfikację powierzchni kanałów.

– Odpowiednia chemia powierzchni kanalików jest warunkiem, by krople nie rozmazywały się, ani nie pękały. Chodzi też o to, by kropla nie zwilżała ścian kanałów, bo to rola płynu, w którym są zawieszone. Jeśli np. kanalik wypełnimy olejem, wstrzykniemy kroplę wody, to ona nie może dotykać ścian kanałów, między nią a ścianą jest cienki film olejowy – wyjaśnia prof. Garstecki, który z mikroprzepływami zetknął się po raz pierwszy podczas stażu podoktorskiego na Uniwersytecie Harvarda.

Pojechał tam z głową pełną pomysłów, ale w tyglu laboratorium prof. George’a Whitesidesa, jednego z najbardziej wpływowych chemików na świecie, szybko pojawiły się nowe, jeszcze bardziej intrygujące zagadnienia. Terminowanie u boku tak doświadczonego wizjonera okazało się dla młodego polskiego doktora przełomowe. Swoje zainteresowanie skierował ku tematyce, która wkrótce miała się stać dla chemii i biologii tym, czym swego czasu dla elektroniki były układy scalone. Tak jak tamte przed z górą półwieczem zrewolucjonizowały na dobre przetwarzanie informacji, tak techniki mikroprzepływowe miały doprowadzić do wytworzenia zautomatyzowanych i zminiaturyzowanych laboratoriów.

Po powrocie z USA już tylko kwestią czasu było założenie własnej grupy w Instytucie Chemii Fizycznej PAN. Tamże, niedługo potem, widząc pierwsze efekty, powołano firmy zalążkowe, które miały za zadanie wykorzystywać techniki mikroprzepływowe. Dziś mają się już czym pochwalić. W jednej z nich stworzono prototypy urządzeń diagnostycznych do analizy krwi. Wszystko zaczęło się od pomysłu, by klasyczne badania chemiczne zastąpić zasysaniem kropli krwi do specjalnej kapilary oraz automatyczną analizą wewnątrz układu mikroprzepływowego. Być może już wkrótce takie analizatory trafią do gabinetów lekarskich, gdzie bezboleśnie i szybko będzie można wykonać badanie krwi. Równie ciekawe jest i inne prototypowe rozwiązanie, polegające na prowadzeniu w ekspresowym tempie analiz genetycznych w miniaturowych kropelkach.

– Dzięki połączeniu technik mikroprzepływowych z automatyką, elektroniką i optyką powstają urządzenia, które w ciągu kilkunastu minut automatycznie wykonują wszystkie procesy, które klasycznie wykonuje laborant. To jeden z obecnie najważniejszych trendów w diagnostyce medycznej – nie kryje dumy z osiągnięć swojego zespołu prof. Piotr Garstecki. – Żyjemy w ciekawych czasach, bo badania nad technikami mikroprzepływowymi na świecie rozwijają się bardzo dynamicznie. Jesteśmy świadkami wręcz eksplozji technik i kierunków zastosowania – z optymizmem patrzy w przyszłość, dodając, że kropelki mogą służyć również jako rusztowanie do wytworzenia błon lipidowych imitujących ściany komórkowe i do badań nad aktywnością białek membranowych. Doskonale sprawdzają się też w tworzeniu podłoża do hodowli komórkowych.

Mnogość zastosowań technik mikroprzepływowych i badawcza ciekawość, która doń prowadzi, nie pozwala osiąść na laurach. Ponad siedemdziesiąt dotychczasowych patentów autorstwa podopiecznych prof. Piotra Garsteckiego i jego samego – z czego kilka znalazło już nabywców – robi wrażenie, ale już myśli się tu o kolejnych. Nawet jeśli wyobraźnia stawia jakieś granice, tutaj na pewno wpadną na pomysł, jak je przekroczyć. Dlatego, w przeciwieństwie do Z-4195 – głównego bohatera Mrówki Z  – ani myślą wydostawać się z tego kropelkowego laboratorium. 