Press "Enter" to skip to content

Globale Wirkung durch Chemieingenieurwesen am MIT erzielen

Hadley Sikes

Hadley Sikes, die kürzlich eine Anstellung in der Abteilung für Chemieingenieurwesen des MIT erhalten hat, widmet einen Großteil ihrer Laborarbeit der Entwicklung kostengünstiger, hochempfindlicher Tests für Krankheiten wie Malaria, Tuberkulose und Krebs. Bildnachweis: Illustration: Jose-Luis Olivares, MIT. Basierend auf einem Foto von Lillie Paquette

Hadley Sikes entwickelt einfach zu verwendende Diagnosegeräte, von denen Patienten auf der ganzen Welt profitieren können.

Als Chemieingenieur liebt Hadley Sikes das Studium komplexer Systeme wie Netzwerke chemischer Reaktionen. Bei ihrer Arbeit an praktischen Geräten für die Diagnose und andere Anwendungen legt sie jedoch Wert auf Einfachheit.

Sikes, ein außerordentlicher Professor, der kürzlich eine Amtszeit in MITDie Abteilung für Chemieingenieurwesen widmet einen Großteil ihrer Laborarbeit der Entwicklung kostengünstiger, hochempfindlicher Tests für Krankheiten wie Malaria, Tuberkulose und Krebs. Die einfache Verwendung dieser Tests sei der Schlüssel zu ihrem Erfolg, sagt sie.

„Bei den Produkten, die wir weit verbreiten möchten, ist unsere Idee, dass wenn die Dinge so einfach wie möglich sind, sie möglicherweise eine bessere Chance haben, weiter verbreitet zu werden“, sagt sie.

In den letzten Monaten hat sie ihre Aufmerksamkeit auf die Entwicklung eines diagnostischen Tests für Covid-19 gerichtet. Im Gegensatz zu den meisten Diagnostika, die nach dem genetischen Material des Virus suchen (RNA), der Test, an dem sie arbeitet, erkennt virale Proteine ​​und würde schnell Ergebnisse liefern, ohne dass spezielle Instrumente erforderlich wären.

Die Tests, die sie in ihrem Labor entwickelt, sind zwar einfach in Aussehen und Anwendung, basieren jedoch auf einem detaillierten Verständnis der komplizierten Reaktionsmechanismen wie Elektronentransfers zwischen Atomen (sogenannte Redoxreaktionen) sowie der genauen molekularen Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Proteine.

„In der Chemieingenieurwesen unterrichten wir unsere Schüler häufig über Reaktionen, die in chemischen Reaktoren oder in Motoren ablaufen. Mit dieser Methode können Sie jedoch auch die Reaktionen untersuchen, die in einer Zelle ablaufen“, sagt Sikes.

Grundlegende Chemie

Sikes war von der Grundschule an von Naturwissenschaften angezogen und begann als Mittelschülerin in Mobile, Alabama, an Wissenschaftsmessen teilzunehmen. In einem Projekt führte sie eine koffein-toxikologische Studie an Seeigelembryonen durch, in der Hoffnung, ihren Vater, Professor für Biologie an der University of South Alabama, davon zu überzeugen, seinen Kaffeekonsum zu reduzieren. (Ihre Ergebnisse hatten nicht den gewünschten Effekt.)

An der Tulane University studierte Sikes Chemie, wo sie in einem Labor Phasenübergänge untersuchte – die Transformationen zwischen Materiezuständen wie fest zu flüssig. Sie besuchte die Stanford University für eine Graduiertenschule, wo sie in physikalischer Chemie promovierte. In ihrer Diplomarbeit untersuchte sie einen bestimmten Aspekt der Redoxchemie: die Eigenschaften organischer Materialien, mit denen Elektronen so schnell wie möglich von der Oberfläche einer Elektrode zu einem Oxidationsmittel bewegt werden können, das in der die Elektrode umgebenden Lösung gelöst ist.

Nach diesen Studien über grundlegende chemische Phänomene entschied Sikes, dass sie versuchen wollte, ihr Wissen auf reale Probleme anzuwenden. “Wenn wir dieses grundlegende Verständnis auf hoher Ebene haben und in der Lage sind, Experimente zu entwerfen und molekulare Mechanismen aufzudecken, auf welchen gesellschaftlichen Nutzen könnte ich das abzielen?” Sie sagt.

Als Postdoc in einem Labor für Chemieingenieurwesen an der Universität von Colorado beschloss sie, Biosensoren zu entwickeln, mit denen Wechselwirkungen zwischen Proteinen und anderen Molekülen nachgewiesen werden können. Sie erkannte, dass sie mehr über das Engineering von Proteinen lernen musste, damit die Arbeit erfolgreich sein konnte. Deshalb arbeitete sie zwei Jahre bei Caltech im Labor von Frances Arnold, einer mit dem Nobelpreis ausgezeichneten Pionierin in der Verwendung der gerichteten Evolution zur Entwicklung von Enzymen.

Bei der Bewerbung um Fakultätsstellen wurde Sikes vom MIT, insbesondere vom Department of Chemical Engineering, angezogen, weil er sich darauf konzentrierte, Wissenschaft zu betreiben, die für die Gesellschaft wertvoll sein kann.

“Die Abteilung war begeistert von der gleichen Sache wie ich: der Idee, Wissenschaft und Technologie zu nutzen, um einen Einfluss auf die Welt zu haben”, sagt sie. “Da mir das wirklich wichtig war, fand ich es gut, dass Sie dies nicht nur in Ihrer Freizeit tun konnten, nachdem Sie Ihre Artikel veröffentlicht hatten, sondern dass dies der ganze Zweck hier war.”

Einfache Sensoren

Das Labor von Sikes teilt seine Bemühungen nun auf zwei Hauptprojekte auf: Diagnosesensoren für Infektionskrankheiten, die in Entwicklungsländern verbreitet sind, und Sensoren, mit denen Krebsmediziner die beste Behandlung für Tumoren einzelner Patienten vorhersagen können.

Im Bereich Infektionskrankheiten arbeiten Sikes und ihre Kollegen an Papiertests, mit denen bis zu fünf verschiedene Krankheiten aus einer Patientenprobe erkannt werden können, bei denen es sich um Blut, Urin oder Speichel handeln kann. Ziel ist es, die Tests einfach zu lesen und kostengünstig zu gestalten – weniger als einen Dollar pro Test. Sie haben Marker für Malaria, Tuberkulose, Dengue-Virus und Zika-Virus identifiziert und arbeiten an der Entwicklung sehr kleiner Antikörperproteine, um mit diesen Markern zu interagieren. Je kleiner die Proteine ​​sind, desto höher ist die Konzentration, die sie auf den Teststreifen aufbringen können, wodurch er innerhalb weniger Minuten Ergebnisse erzielen kann.

Ein Großteil dieser Arbeit wird im Rahmen der Singapore-MIT-Allianz für Forschung und Technologie geleistet, insbesondere der interdisziplinären Forschungsgruppe für Antibiotikaresistenz.

Auf der Krebsseite nutzt Sikes ihre Expertise in der Redoxchemie, um die Rolle von oxidativem Stress bei Krebs zu untersuchen. Einige Tumoren weisen ein hohes Maß an Stress auf, der durch einen veränderten Stoffwechsel verursacht wird und zu einem erhöhten Gehalt an Wasserstoffperoxid, einem Oxidationsmittel, führt. Dies ist etwas überraschend, sagt Sikes, da Tumore von der Blutversorgung des Körpers abgeschnitten werden können und nur wenig Sauerstoff zur Verfügung steht.

“Es gibt dieses Rätsel, woher all diese Oxidationsmittel kommen, wenn es sich nicht um eine sauerstoffreiche Umgebung handelt”, sagt Sikes. “Es gibt auch die Idee, dass oxidativer Stress mit Therapeutika bekämpft werden könnte, die den Tod von Krebszellen induzieren würden.”

Es gibt jedoch auch Hinweise darauf, dass einige Tumoren aggressiver werden, wenn sie mit Medikamenten behandelt werden, die auf oxidativen Stress abzielen. Daher arbeitet Sikes derzeit daran, Wege zu entwickeln, um vorherzusagen, wie Tumorzellen von verschiedenen Patienten auf solche Medikamente reagieren würden. Diese Studien basieren auf präzisen Messungen verschiedener Oxidationsstufen von Schwefelstellen innerhalb von Proteinen, die gemeinsame Ziele von Oxidationsmitteln sind, und ihrer Positionen innerhalb von Zellen. Die Forscher korrelieren diese Daten damit, wie die Zellen auf die Behandlung mit einer Vielzahl verschiedener Medikamente reagieren, in der Hoffnung, Marker identifizieren zu können, die zeigen, ob eine bestimmte Tumorzelle für Medikamente anfällig ist, die den oxidativen Zustand der Zelle beeinflussen.

“Wir hoffen herauszufinden, was bei einer Tumorbiopsie zu messen ist, um festzustellen, ob dieser Tumor für ein Redox-Medikament anfällig ist oder nicht, und unsere Analyse des Reaktionsnetzwerks hat uns gezeigt, wonach wir suchen müssen”, sagt Sikes. “Das Verständnis komplexer chemischer Reaktionsnetzwerke wie dieser ist ein zentraler Bestandteil der chemischen Verfahrenstechnik.”