New technology developed by bioengi

New technology developed by bioengineers at the University of California, Berkeley, promises to make a workhorse lab tool cheaper, more portable and many times faster by accelerating the heating and cooling of genetic samples with the switch of a light.

This turbocharged thermal cycling, described in a paper in the journal Light: Science & Application, greatly expands the clinical and research applications of the polymerase chain reaction (PCR) test, with results coming in minutes instead of an hour or more.

The PCR test, which amplifies a single copy of a DNA sequence to produce thousands to millions of copies, has become vital in genomics applications, ranging from cloning research to forensic analysis to paternity tests. PCR is used in the early diagnosis of hereditary and infectious diseases, and for analysis of ancient DNA samples of mummies and mammoths.

The huge impact of the PCR test in modern science was recognized in 1993 with a Nobel Prize in Chemistry for its inventors, Kary Mullis and Michael Smith.

Using light-emitting diodes, or LEDs, the UC Berkeley researchers were able to heat electrons at the interface of thin films of gold and a DNA solution. They clocked the speed of heating the solution at around 55 degrees Fahrenheit per second. The rate of cooling was equally impressive, coming in at about 43.9 degrees per second.

"PCR is powerful, and it is widely used in many fields, but existing PCR systems are relatively slow," said study senior author Luke Lee, a professor of bioengineering. "It is usually done in a lab because the conventional heater used for this test requires a lot of power and is expensive. Because it takes an hour or longer to complete each test, it is not practical for use for point-of-care diagnostics. Our system can generate results within minutes."

The slowdown in conventional PCR tests comes from the time it takes to heat and cool the DNA solution. The PCR test requires repeated temperature changes -- an average of 30 thermal cycles at three different temperatures -- to amplify the genetic sequence, a process that involves breaking up the double-stranded DNA and binding the single strand with a matching primer. With each heating-cooling cycle, the amount of the DNA sample is doubled.

To pick up the pace of this thermal cycling, Lee and his team of researchers took advantage of plasmonics, or the interaction between light and free electrons on a metal's surface. When exposed to light, the free electrons get excited and begin to oscillate, generating heat. Once the light is off, the oscillations and the heating stop.

Gold, it turns out, is a popular metal for this plasmonic photothermal heating because it is so efficient at absorbing light. It has the added benefit of being inert to biological systems, so it can be used in biomedical applications.

For their experiments, the researchers used thin films of gold that were 120 nanometers thick, or about the width of a rabies virus. The gold was deposited onto a plastic chip with microfluidic wells to hold the PCR mixture with the DNA sample.

The light source was an array of off-the-shelf LEDs positioned beneath the PCR wells. The peak wavelength of the blue LED light was 450 nanometers, tuned to get the most efficient light-to-heat conversion.

The researchers were able to cycle from 131 degrees to 203 degrees Fahrenheit 30 times in less than five minutes.

They tested the ability of the photonic PCR system to amplify a sample of DNA, and found that the results compared well with conventional PCR tests.

"This photonic PCR system is fast, sensitive and low-cost," said Lee, who is also co-director of the Berkeley Sensor and Actuator Center. "It can be integrated into an ultrafast genomic diagnostic chip, which we are developing for practical use in the field. Because this technology yields point-of-care results, we can use this in a wide range of settings, from rural Africa to a hospital ER.

ผลลัพธ์ (ไทย) 1:

เทคโนโลยีใหม่ที่พัฒนา โดย bioengineers ที่มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย เบิร์กลีย์ สัญญาต้องเป็น workhorse เครื่องมือแล็บถูกกว่า แบบพกพามากขึ้น และเร็วขึ้นหลายครั้ง โดยเร่งที่ร้อน และเย็นตัวอย่างพันธุกรรมกับสวิตช์ไฟนี้ turbocharged ร้อนจักรยาน กล่าวในเอกสารในสมุดรายวันแสง: วิทยาศาสตร์ประยุกต์ มากทดสอบปฏิกิริยาลูกโซ่ (PCR) พอลิเมอเรส งานทางคลินิกและการวิจัยขยายผลมาในนาทีแทนที่เป็นชั่วโมงหรือมากกว่านั้นทดสอบ PCR ซึ่งกำลังโคจรอยู่ซึ่งสำเนาเดียวของลำดับดีเอ็นเอเพื่อผลิตพันถึงล้านสำเนา ได้กลายเป็นสิ่งสำคัญในการใช้งานของ genomics ตั้งแต่โคลนวิจัยการวิเคราะห์ทางนิติวิทยาศาสตร์การทดสอบ paternity ใช้ PCR ในการวินิจฉัยต้น ของรัชทายาทแห่ง โรคติดเชื้อ และวิเคราะห์ตัวอย่างดีเอ็นเอโบราณของมัมมี่และ mammothsผลกระทบของการทดสอบ PCR ในวิทยาการสมัยใหม่ขนาดใหญ่ถูกรับรู้ในปี 1993 กับรางวัลโนเบลทางเคมีสำหรับนักประดิษฐ์ของ Kary Mullis และ Michael สมิธใช้ไดโอดได้เปล่ง–ไฟ ไฟ Led, UC เบิร์กลีย์นักวิจัยเคยได้ความร้อนอิเล็กตรอนที่อินเทอร์เฟซของฟิล์มบางของโซลูชันดีเอ็นเอ ที่สัญญาณนาฬิกาความเร็วของโซลูชันที่ประมาณ 55 องศาฟาเรนไฮต์ต่อวินาทีความร้อน อัตราการระบายความร้อนได้เท่า ๆ กันน่าประทับใจ มาในที่ประมาณ 43.9 องศาต่อวินาที"PCR จะมีประสิทธิภาพ และมันถูกใช้ในหลายสาขา แต่ระบบ PCR ที่มีอยู่จะค่อนข้างช้า กล่าวว่า การศึกษาอาวุโสผู้เขียนลูกาลี อาจารย์ bioengineering "มันจะมักจะทำในห้องปฏิบัติการเนื่องจากฮีตเตอร์ทั่วไปที่ใช้สำหรับการทดสอบนี้ต้องใช้พลังงาน และมีราคาแพง เนื่องจากใช้ชั่วโมง หรือยาวแต่ละการทดสอบ ไม่ได้ใช้สำหรับจุดดูแลวินิจฉัย ระบบของเราสามารถสร้างผลลัพธ์ภายในนาทีนี้"การชะลอตัวในการทดสอบ PCR แบบเดิมมาจากเวลาใช้ความร้อน และเย็นโซลูชันดีเอ็นเอ ทดสอบ PCR ต้องการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิซ้ำ - โดยเฉลี่ยรอบ 30 ความร้อนที่ 3 อุณหภูมิแตกต่างกัน - ขยายลำดับพันธุกรรม กระบวนการที่เกี่ยวข้องกับการทำลายดีเอ็นเอคู่ขนขึ้น และผูกสแตรนด์เดียวกับพื้นตรง จำนวนตัวอย่างดีเอ็นเอเป็นสองเท่ากับแต่ละรอบการทำความร้อน-เย็นรับก้าวของการขี่จักรยานนี้ความร้อน ลีและทีมนักวิจัยใช้ประโยชน์จาก plasmonics หรือปฏิสัมพันธ์ระหว่างแสง และฟรีอิเล็กตรอนบนผิวของโลหะ เมื่อสัมผัสกับแสง อิเล็กตรอนอิสระได้ตื่นเต้น และเริ่มการ oscillate สร้างความร้อน เมื่อไฟถูกปิด การแกว่งและหยุดความร้อนทอง มันเปิดออก เป็นโลหะนิยมการ photothermal plasmonic นี้ร้อนได้เพื่อให้มีประสิทธิภาพในการดูดแสง มีผลประโยชน์เป็น inert ระบบชีวภาพ เพื่อนำไปใช้ในโปรแกรมประยุกต์ทางชีวการแพทย์สำหรับการทดลองของพวกเขา นักวิจัยใช้ฟิล์มบางทองที่ nanometers หนา 120 หรือ เกี่ยวกับความกว้างของโรคไวรัส ทองถูกฝากไปยังชิปพลาสติกกับบ่อ microfluidic กุมส่วนผสม PCR มีตัวอย่างดีเอ็นเอแหล่งกำเนิดแสงของไฟ Led รูปที่ตำแหน่งใต้บ่อ PCR ได้ ความยาวคลื่นสูงสุดของแสง LED สีน้ำเงินถูก 450 nanometers ผ่านกล่องรับแปลงไฟความร้อนมีประสิทธิภาพสูงสุดนักวิจัยก็สามารถวนจาก 131 องศา 203 องศาฟาเรนไฮต์ 30 ครั้งในเวลาไม่ถึงห้านาทีจะทดสอบความสามารถของระบบ PCR photonic ขยายตัวอย่างดีเอ็นเอ และพบว่าผลการเปรียบเทียบดีทดสอบ PCR แบบเดิม"ระบบ PCR นี้ photonic รวดเร็ว มีความสำคัญ และต้น ทุนต่ำ, " กล่าวว่า Lee ที่เป็นกรรมการร่วมเซ็นเซอร์เบิร์กลีย์และ Actuator ศูนย์ "มันสามารถรวมเข้าเป็น ultrafast genomic วินิจฉัยชิป ซึ่งเรากำลังพัฒนาสำหรับใช้ปฏิบัติในฟิลด์ เนื่องจากเทคโนโลยีนี้ทำให้ผลลัพธ์จุดดูแล เราสามารถใช้นี้ในช่วงกว้างของการตั้งค่า จากแอฟริกาชนบทโรงพยาบาล ER

ผลลัพธ์ (ไทย) 2:

เทคโนโลยีใหม่ที่พัฒนาโดย bioengineers ที่มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนียเบิร์กลีย์, สัญญาว่าจะทำให้เครื่องมือห้องปฏิบัติการเทียมที่ถูกกว่าครั้งแบบพกพาและจำนวนมากได้เร็วขึ้นด้วยการเร่งความร้อนและความเย็นของตัวอย่างพันธุกรรมที่มีสวิทช์ของแสง. นี้องคาพยพความร้อนอธิบาย ในบทความในวารสารแสง: วิทยาศาสตร์และแอพลิเคชันที่ช่วยขยายการใช้งานทางคลินิกและการวิจัยของวิธี polymerase chain reaction (PCR) การทดสอบกับผลลัพธ์ที่มาในนาทีแทนชั่วโมงหรือมากกว่า. ทดสอบ PCR ซึ่งขยายสำเนาเดียว ของลำดับดีเอ็นเอในการผลิตพันล้านเล่มได้กลายเป็นสิ่งสำคัญในการใช้งานฟังก์ชั่นที่หลากหลายจากโคลนวิจัยเพื่อการวิเคราะห์ทางกฎหมายที่จะทดสอบความเป็นพ่อ PCR ที่ใช้ในการวินิจฉัยโรคทางพันธุกรรมและการติดเชื้อและการวิเคราะห์ตัวอย่างดีเอ็นเอโบราณของมัมมี่และมม็อ ธ . ผลกระทบอย่างมากของการทดสอบวิธี PCR ในทางวิทยาศาสตร์ที่ทันสมัยได้รับการยอมรับในปี 1993 กับรางวัลโนเบลสาขาเคมีสำหรับนักประดิษฐ์ของ Kary Mullis และไมเคิลสมิ ธ . ใช้ไดโอดเปล่งแสงหรือไฟ LED, นักวิจัย UC Berkeley ก็สามารถที่จะให้ความร้อนอิเล็กตรอนที่อินเตอร์เฟซของฟิล์มบางของทองและวิธีการแก้ปัญหาดีเอ็นเอ พวกเขาโอเวอร์คล็อกความเร็วของการแก้ปัญหาความร้อนประมาณ 55 องศาฟาเรนไฮต์ต่อวินาที อัตราการระบายความร้อนที่เป็นที่น่าประทับใจอย่างเท่าเทียมกันมาในที่ประมาณ 43.9 องศาต่อวินาที. "PCR ที่มีประสิทธิภาพและเป็นที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในหลายสาขา แต่ระบบ PCR ที่มีอยู่ค่อนข้างช้า" การศึกษาผู้เขียนอาวุโสลุลีกล่าวว่าศาสตราจารย์ ชีววิศวกรรม "มันมักจะทำในห้องปฏิบัติการเพราะเครื่องทำน้ำอุ่นธรรมดาที่ใช้สำหรับการทดสอบนี้ต้องใช้พลังงานมากและมีราคาแพง. เพราะมันใช้เวลาชั่วโมงหรือนานกว่าจะเสร็จสิ้นการทดสอบแต่ละครั้งก็ไม่ได้ในทางปฏิบัติสำหรับการใช้งานสำหรับการวินิจฉัยจุดของการดูแล . ระบบของเราสามารถสร้างผลภายในไม่กี่นาที. " การชะลอตัวของการทดสอบ PCR แบบเดิมมาจากเวลาที่ใช้ความร้อนและเย็นวิธีการแก้ปัญหาดีเอ็นเอ ทดสอบ PCR ต้องมีการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิซ้ำ - ค่าเฉลี่ยของ 30 รอบความร้อนที่อุณหภูมิที่แตกต่างกันสาม - เพื่อขยายลำดับพันธุกรรมเป็นกระบวนการที่เกี่ยวข้องกับการทำลายดีเอ็นเอเกลียวคู่และมีผลผูกพันฝั่งเดียวกับไพรเมอร์จับคู่ ด้วยแต่ละรอบร้อนเย็นจำนวนของตัวอย่างดีเอ็นเอเป็นสองเท่า. เพื่อรับการก้าวของการขี่จักรยานการระบายความร้อนนี้, ลีและทีมงานของเขาของนักวิจัยใช้ประโยชน์จาก plasmonics หรือปฏิสัมพันธ์ระหว่างแสงและอิเล็กตรอนอิสระบนพื้นผิวโลหะ เมื่อสัมผัสกับแสงอิเล็กตรอนอิสระได้รับความตื่นเต้นและเริ่มที่จะสั่นสร้างความร้อน เมื่อแสงจะปิดการสั่นและความร้อนหยุด. ทองมันจะเปิดออกเป็นโลหะที่เป็นที่นิยมสำหรับการทำความร้อน photothermal plasmonic นี้เพราะมันเป็นไปอย่างมีประสิทธิภาพการดูดซับแสงที่ มันมีประโยชน์เพิ่มของความมีชีวิตชีวาให้กับระบบชีวภาพเพื่อที่จะสามารถนำมาใช้ในการใช้งานทางการแพทย์. สำหรับการทดลองนักวิจัยที่ใช้ฟิล์มบางทองคำที่ 120 นาโนเมตรหนาหรือเกี่ยวกับความกว้างของเชื้อไวรัสโรคพิษสุนัขบ้า ทองถูกวางลงบนชิปพลาสติกที่มีหลุม microfluidic ที่จะถือส่วนผสม PCR กับตัวอย่างดีเอ็นเอ. แหล่งกำเนิดแสงเป็นอาร์เรย์ของไฟ LED ออกจากชั้นวางในตำแหน่งที่อยู่ใต้หลุม PCR ความยาวคลื่นสูงสุดของไฟ LED สีฟ้าแสง 450 นาโนเมตรที่จะได้รับการปรับจูนแปลงที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดเพื่อแสงความร้อน. นักวิจัยก็สามารถที่จะวงจรจาก 131 องศาถึง 203 องศาฟาเรนไฮต์ 30 ครั้งในเวลาไม่ถึงห้านาที. พวกเขาผ่านการทดสอบความสามารถในการ ระบบ PCR โทนิคเพื่อขยายตัวอย่างดีเอ็นเอและพบว่าผลที่ได้มาเปรียบเทียบกันได้ดีกับการทดสอบ PCR แบบเดิม. "ระบบ PCR นี้โทนิคเป็นไปอย่างรวดเร็วมีความสำคัญและมีต้นทุนต่ำ" กล่าวว่าลีที่ยังเป็นผู้อำนวยการร่วมของ เบิร์กลีย์เซนเซอร์และศูนย์การขับเคลื่อน "มันสามารถรวมเข้ากับชิปวินิจฉัยเร็วจีโนมซึ่งเรามีการพัฒนาสำหรับการใช้งานจริงในสนาม. เนื่องจากอัตราผลตอบแทนที่เทคโนโลยีนี้ผลการจุดของการดูแลเราสามารถใช้ในความหลากหลายของการตั้งค่าจากชนบทแอฟริกา โรงพยาบาล ER

ผลลัพธ์ (ไทย) 3:

เทคโนโลยีใหม่ที่พัฒนาโดย bioengineers ที่ University of California , Berkeley , สัญญาที่จะทำให้ workhorse Lab เครื่องมือราคาถูกมากแบบพกพาและหลายๆ ครั้งได้เร็วขึ้นโดยการเร่งความร้อนและความเย็นของตัวอย่างทางพันธุกรรมกับสวิทช์ไฟ

นี้ด้วยวัฏจักร อธิบายไว้ในกระดาษในการ&แสงวารสารวิทยาศาสตร์ช่วยขยายการใช้งานทางคลินิกและการวิจัยของปฏิกิริยาลูกโซ่ ทดสอบ กับผลลัพธ์ที่ออกมาในนาทีแทนที่จะเป็นชั่วโมงหรือมากกว่า

ร่วมทดสอบ ซึ่งขยายสำเนาเดียวของดีเอ็นเอลำดับผลิตพันล้านฉบับ ได้กลายเป็นสำคัญในการใช้งานตั้งแต่การวิจัย การวิเคราะห์ทางนิติวิทยาศาสตร์เพื่อทดสอบความเป็นบิดาเทคนิคที่ใช้ในการวินิจฉัยของกรรมพันธุ์ และโรคติดเชื้อ และการวิเคราะห์ตัวอย่างดีเอ็นเอของมัมมี่โบราณ และ แมมมอท

ผลกระทบอย่างมากของ PCR Test ในวิทยาศาสตร์สมัยใหม่ได้รับการยอมรับในปี 1993 กับรางวัลโนเบลสาขาเคมีสำหรับนักประดิษฐ์ , แครี่ มัลลิส และ ไมเคิล สมิธ

ใช้ไดโอดเปล่งแสงหรือ LED ,UC Berkeley นักวิจัยสามารถความร้อนอิเล็กตรอนที่รอยต่อของฟิล์มบางของทองและสารละลายดีเอ็นเอ พวกเขาสังเกตเห็นความเร็วของความร้อนสารละลายที่ประมาณ 55 องศาฟาเรนไฮต์ ต่อวินาที อัตราการทำความเย็นเป็นที่น่าประทับใจอย่างเท่าเทียมกัน , มาในที่เกี่ยวกับรายได้องศาต่อวินาที

" เทคนิคที่มีประสิทธิภาพและมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านต่างๆ แต่ระบบ PCR ที่มีอยู่จะค่อนข้างช้ากล่าวว่า การศึกษาผู้เขียนอาวุโส ลุค ลี ศาสตราจารย์ด้านชีววิศวกรรม” มันมักจะทำในแล็ป เพราะปกติเครื่องที่ใช้สำหรับการทดสอบนี้ต้องใช้พลังงานมาก และมีราคาแพง เพราะมันใช้เวลาชั่วโมงหรือนานกว่าจะเสร็จ แต่ละแบบ มันไม่ปฏิบัติเพื่อใช้สำหรับจุดของการดูแลแก้ปัญหา ระบบของเราสามารถสร้างผลลัพธ์ภายในนาที

"การชะลอตัวในการทดสอบโดยใช้เทคนิค PCR มา จากเวลาที่ใช้ความร้อนและเย็นสารละลาย DNA ร่วมทดสอบต้องทำซ้ำการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ -- เฉลี่ย 30 ความร้อนรอบที่สามอุณหภูมิที่แตกต่างกัน -- การขยายลำดับทางพันธุกรรม กระบวนการที่เกี่ยวข้องกับการทำลายดีเอ็นเอและการจับคู่ อยู่เส้นเดียว กับการจับคู่ไพรเมอร์กันความร้อนรอบเย็น , ปริมาณของตัวอย่าง DNA เป็นสองเท่า

เลือกขึ้นก้าวของการขี่จักรยานการระบายความร้อนนี้ ลี และทีมงานของนักวิจัยที่เอาประโยชน์จากแอพ หรือปฏิสัมพันธ์ระหว่างแสงและอิเล็กตรอนอิสระบนพื้นผิวของโลหะ เมื่อสัมผัสกับแสง อิเล็กตรอนอิสระได้รับตื่นเต้นและเริ่มแกว่งไปมา , การสร้างความร้อน เมื่อแสงที่ออกมาการสั่นและความร้อนหยุด

ทอง ปรากฏว่า เป็นโลหะที่นิยมสำหรับร้อนนี้ Plasmonic โฟโต้เทอร์มัล เพราะว่ามันมีประสิทธิภาพในการดูดซับแสง ที่มีประโยชน์เพิ่มของการเฉื่อยต่อระบบชีวภาพ ดังนั้นจึงสามารถใช้ในงานทางการแพทย์

สำหรับการทดลองของพวกเขา นักวิจัยที่ใช้ฟิล์ม 120 นาโนเมตรของทองคำที่หนาหรือเกี่ยวกับความกว้างของเชื้อไวรัส ทองเป็นเงินลงบนชิปพลาสติกบ่อไมโครฟลูอิดิก ถือ โดยผสมกับตัวอย่างดีเอ็นเอ

แหล่งกำเนิดแสงเป็น LED อาร์เรย์ของปิดชั้นวางใต้ PCR เวลส์ ยอดคลื่นของไฟ LED สีฟ้าอ่อนคือ 450 นาโนเมตร , ปรับรับแสงที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดเพื่อแปลงความร้อน .

นักวิจัยสามารถปั่นจาก 131 องศา 203 องศาฟาเรนไฮต์ 30 ครั้งในเวลาไม่ถึงห้านาที

จะทดสอบความสามารถของระบบเทคนิคโฟโตนิกส์ขยายตัวอย่างดีเอ็นเอ และพบว่า เมื่อเทียบกับผลการทดสอบ PCR ธรรมดา

" ระบบ PCR นี้โฟโตนิกส์รวดเร็ว ไว และต้นทุนต่ำ " ลียังเป็นผู้ร่วมผู้อำนวยการศูนย์เบิร์กลีย์เซ็นเซอร์และตัว” มันสามารถจะรวมอยู่ในการวินิจฉัยมากที่มีชิป ซึ่งเรากำลังพัฒนาสำหรับการใช้งานจริงในเขต เนื่องจากเทคโนโลยีนี้ทำให้จุดของการดูแล , เราสามารถใช้ในหลากหลายของการตั้งค่าจากแอฟริกาในชนบทไปโรงพยาบาลฉุกเฉิน