Quantum Dot Com

Mit Firmennamen und Logo an der Glastür, den ausgepackten Kartons, einem leeren Empfangstresen und emsigen jungen Wissenschaftlern, könnte es jedes Silicon Valley Unternehmen im Start-Chaos sein. Doch das ist, wie schnell klar wird, kein gewöhnliches Startup. Schon ein paar Türen hinter der Kaffeemaschine merkst du den Unterschied. Den Flur entlang, in einem fensterlosen Raum, der vom schwachen Schein eines grünen Lasers erhellt wird, der durch ein Labyrinth optischer Geräte schießt, finden Sie die Kronjuwelen des Unternehmens, winzige Partikel, die eine Vielzahl von Farben ausstrahlen. Dies sind Quantenpunkte-Kristalle, die aus nur wenigen hundert Atomen bestehen. Durch ein gewöhnliches optisches Mikroskop betrachtet, funkeln sie wie Sterne an einem mondlosen Himmel.

Die Quantum Dot Corporation – und ihre Handvoll hochkarätiger Risikokapitalinvestoren – wetten, dass diese leuchtenden Flecken die Sichtweise von Biologen auf die zelluläre Welt verändern werden. Die Partikel sind nur wenige Nanometer (Milliardstel Meter) groß. Da dies ungefähr die gleiche Größe wie ein Proteinmolekül oder eine kurze DNA-Sequenz hat, könnten Quantenpunkte nahezu perfekte Leuchtfeuer sein, um biologische Ereignisse zu beleuchten. Sie sind in einer nahezu unbegrenzten Farbpalette erhältlich und können mit Biomolekülen verknüpft werden, um empfindliche Sonden zu bilden, um spezifische Verbindungen zu identifizieren und biologische Ereignisse zu verfolgen.

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Diese Geschichte war Teil unserer Januar-Ausgabe 2000



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Fluoreszierende Tags sind in der Medizin und Biologie allgegenwärtig – sie werden für alles verwendet, von HIV-Tests bis hin zur Abbildung der inneren Funktionen von Zellen. Doch die Farbstoffe, auf die sich Biologen heute verlassen, haben gravierende Nachteile. Zum einen müssen für jede Farbe verschiedene Arten von Farbstoffmolekülen verwendet werden und ein passender Laser muss verwendet werden, um einen Farbstoff zum Fluoreszieren zu bringen: ein grüner Laser für einen grünen Farbstoff, gelb für einen gelben Farbstoff und so weiter. Die von den Farbstoffen emittierten Farben neigen zum Verbluten, und die Verwendung einer Kombination von Lasern ist unhandlich. Diese Einschränkungen bedeuten, dass Sie in der Praxis nicht nach mehr als wenigen Arten von Biomolekülen gleichzeitig suchen können. Darüber hinaus verblassen Farbstoffe schnell, sodass die Bildgebung eine einmalige Angelegenheit ist.

Quantenpunkte haben keine dieser Mängel. Sie können durch einfaches Variieren der Größe der Nanopartikel scharfe Farbpunkte erzeugen und einen Regenbogen dieser Farben mit weißem Licht oder einem einfarbigen Laser fluoreszieren lassen. Außerdem leuchten die Nanopartikel noch viel länger als Farbstoffe. Diese Verbesserungen ermöglichen es Ihnen, gleichzeitig verschiedene biologische Komponenten – beispielsweise verschiedene Proteine ​​oder verschiedene DNA-Sequenzen – mit spezifischen farbigen Nanopunkten zu markieren.

Diese Art von Flexibilität könnte eine kostengünstige und einfache Möglichkeit darstellen, eine Blutprobe gleichzeitig auf das Vorhandensein mehrerer verschiedener Viren zu untersuchen. Es könnte Ärzten auch einen schnellen Überblick über den Zustand eines Patienten geben. Zum Beispiel ist das Vorhandensein einer bestimmten Gruppe von Proteinen ein starker Indikator dafür, dass eine Person einen Herzinfarkt hat; Quantenpunkte könnten einen schnellen und einfachen Test zum Nachweis dieser Proteine ​​bieten. An der Forschungsfront könnte die Möglichkeit, mehrere Biomoleküle gleichzeitig zu markieren, eine leistungsstarke Möglichkeit bieten, die komplexen zellulären Veränderungen und Ereignisse im Zusammenhang mit Krankheiten zu beobachten und Hinweise für die Wirkstoffforschung zu liefern.

Wir wussten, dass die Welt nicht mehr dieselbe sein würde

Punkt des Eisbergs

Die Herausforderung besteht natürlich darin, dieses rohe wissenschaftliche Potenzial in ein tragfähiges Geschäft umzuwandeln. Hier kommt Quantum Dot aus Palo Alto, Kalifornien, ins Spiel. Wie jedes andere junge Technologieunternehmen muss es finanzielle Unterstützung gewinnen, indem es Investoren begeistert und einen tragfähigen Geschäftsplan ausarbeitet, sowie aufkommende Konkurrenz durch den Aufbau eines starken Technologieportfolio (siehe Seitenleiste: Quantum Competition). Aber für Quantum Dot gehen die Herausforderungen über die eines typischen Startups hinaus. Es will nicht nur kommerziell erfolgreich sein, sondern dorthin gehen, wo bisher nur wenige Unternehmen vorgegangen sind: Nanotechnologie (Manipulation und Bau von Materialien im Nanometerbereich) als Werkzeug in Medizin und Biologie zu nutzen.

Lügendetektor-Maschine

Auch in der Grundlagenforschung, geschweige denn in der kommerziellen Welt, ist die Schnittstelle zwischen Nanotechnologie und Biologie weitgehend Neuland. Quantenpunkte faszinieren seit mehr als einem Jahrzehnt Physiker, die nach neuen Arten von elektronischen und optischen Geräten suchen, aber nur wenige biologische Forscher dachten darüber nach. Um erfolgreich zu sein, muss das Startup-Unternehmen Bio- und Nanotechnologie zusammenbringen. Erschwerend kommt hinzu, dass die meisten Risikokapitalgeber – deren Unterstützung heutzutage für fast jedes Startup entscheidend ist – eine Abneigung gegen alles so esoterisch klingende wie Nanotechnologie gezeigt haben. Sie mögen sich beeilen, um Dot-Com-Startups zu finanzieren, aber setzen Sie das Wort Quantum vor das Wort Punkt und die Augen beginnen zu glasig.

Diejenigen, die Quantum Dot bilden, wetten jedoch darauf, dass das Potenzial dieser Spitzentechnologie letztendlich dazu führt, dass diese glasigen Augen in den Fokus rücken. Das Unternehmen wird von zwei vollendeten Silicon Valley-Insidern, Joel Martin und Bala Manian, mitgegründet, die zusammen ein halbes Dutzend Technologieunternehmen in den Bereichen Medizintechnik und Instrumentierung gegründet haben. In den ersten acht Monaten des Bestehens von Quantum Dot hatte das Unternehmerpaar 7,5 Millionen US-Dollar an Risikokapital aufgebracht. CEO und Präsident Martin sagt, dass es eine Frage des Timings ist, Investoren zu begeistern: Eine Technologie zu entdecken, während eine Explosion wissenschaftlicher Fortschritte sie an den Rand der kommerziellen Praxis bringt. Man muss etwas haben, das in den nächsten Jahren auf den Markt kommt, sagt Martin. Es kann nicht so weit weg sein, dass es an der Blutungskante ist. Gleichzeitig sei es wichtig, dass die Technologie die Fantasie der Menschen anregt.

Im Leuchten

Als Martin 1997 jedoch anfing, nach neuen Technologien zu suchen, hatten mehrere Forschergruppen damit begonnen, Quantenpunkte heller und praktischer zu machen. Mit diesen Verfeinerungen wurde das Potenzial für ihren Einsatz in der biologischen Bildgebung und Diagnostik immer deutlicher. Es sah so aus, als ob es möglich wäre, Nanopartikel in empfindliche Sonden zu verwandeln, die sich auf bestimmte biologische Ziele konzentrieren würden, die die ganze Zeit in unverwechselbaren Farben leuchteten und sagten: Hier ist es! großes Interesse, vielleicht eine spezifische DNA.

Die Entwicklung hin zu biologischen Anwendungen war ein langer Prozess, ohne dass ein einziger Durchbruch den Weg führte. Aber eine wichtige Erkenntnis, sagt Paul Alivisatos, Chemiker an der University of California, Berkeley, der eine Reihe wichtiger Fortschritte beigesteuert hat, ist, dass Quantenpunkte Makromoleküle von der Größe von Proteinen sind. Sobald Sie feststellen, dass die Größenskalen kompatibel sind, sagen Sie: Okay, diese Dinge können zusammenpassen. Moungi Bawendi, Chemiker am MIT, der sich seit mehr als einem Jahrzehnt mit den Partikeln beschäftigt, fügt hinzu: Biologie ist nicht das, woran wir ursprünglich dachten. Aber in gewisser Weise ist es eine viel bessere Anwendung – es ist eine natürliche.

So selbstverständlich, dass Alivisatos und sein Mitarbeiter Shimon Weiss, ein Physiker am Lawrence Berkeley Laboratory, und sein Doktorand Marcel Bruchez Mitte der 1990er Jahre begannen, über Geschäftsmöglichkeiten zu diskutieren. Wir stolperten herum und versuchten, ein Unternehmen zu gründen, um das biologische Potenzial von Quantenpunkten auszuschöpfen, sagt Alivisatos. Dann, im Jahr 1997, bekamen sie einen Anruf von Joel Martin, der auf der Suche nach dem Neuen durch das Silicon Valley wanderte. In einer Nanosekunde lud Alivisatos den Risikokapitalgeber – und seinen Millionenscheck – zu einem Besuch ins Labor in Berkeley ein.

Das Potenzial von Quantenpunkten wurde Ende 1998 durch die Veröffentlichung zweier bahnbrechender Artikel in der Zeitschrift Science bestätigt, die zeigten, dass die Nanopartikel mit lebenden Systemen kompatibel gemacht und als Biosonden verwendet werden könnten. Eine Arbeit stammte von Alivisatos und seinen Berkeley-Mitarbeitern, die andere vom Chemiker Shuming Nie von der Indiana University. Beide Forschergruppen hatten gelernt, wie man die Nanopartikel in Wasser auflöst und die winzigen Kristalle mit einer äußeren Schicht überzieht, an die sie leicht Biomoleküle binden können, die Proteine ​​oder DNA erkennen können. Die Forschung bestätigte das Potenzial von Quantenpunktsonden für empfindliche diagnostische Tests, sogar für genetische Analysen.

Planeten, die Leben haben können

Als Teil der Forschung demonstrierten die wissenschaftlichen Teams Möglichkeiten zum Nachweis von Proteinen in und auf der Oberfläche einer Zelle, was auf eine verlockende Möglichkeit hindeutet – es könnte möglich sein, einen einzelnen leuchtenden Nanopunkt beispielsweise an ein Protein zu binden, um dies zu beobachten zellulare Ereignisse. Solche Beobachtungen könnten ein weitaus besseres Verständnis dafür liefern, wie Zellen funktionieren – und was schief gehen kann – und wertvolle Hinweise für die Entwicklung zukünftiger Pharmazeutika und Therapeutika liefern.

Einen Monat nach den Science Papers wurde Quantum Dot gestartet. Martin und Manian haben führende Nanodot-Forscher in den wissenschaftlichen Beirat des Unternehmens geholt und sie finanziell am Erfolg des Unternehmens beteiligt. Das bedeutete, aus den langjährigen Rivalen Alivisatos, Bawendi, Nie und Paul Mulvaney, einem Chemieprofessor an der University of Melbourne, Partner zu machen. Als gute Maßnahme stellte das Startup Bruchez und Stephen Empedocles, frischgebackene Doktoranden aus den Chemielabors von Alivisatos und Bawendi, als Wissenschaftler ein. Das Unternehmen lizenzierte Schlüsseltechnologien von den Universitäten und sammelte so ein Portfolio an geistigem Eigentum, das den Einsatz von Quantenpunkten in der Biologie abdeckt.

Martin sagt, dass der wissenschaftliche Wert der Technologie beim ersten Anblick geklickt hat, der Weg zur Kommerzialisierung jedoch nicht so offensichtlich war. Offensichtlich wollte das Startup nicht direkt mit Diagnostik- und Analysegerätegiganten wie Roche und Perkin-Elmer konkurrieren, und ebenso klar wollte es nicht nur Quantenpunkte als Massenartikel liefern. Die Antwort, sagt Martin, war ein Geschäftsmodell, das Intel nachahmt. Der Chiphersteller zielt darauf ab, seine Mikroprozessoren in jeden Computer zu integrieren; Quantum Dot würde versuchen, seine Nanopartikel zu einem unverzichtbaren Bestandteil von Diagnosekits und Analyseinstrumenten zu machen. Die Strategie bestand darin, die großen Hersteller zu Kunden zu machen, nicht zu Konkurrenten.

Der Geschäftsplan von Quantum Dot sieht vor, dass das Unternehmen diesen Winter mit dem Versand von Testmengen von Punkten an potenzielle Kunden beginnt, damit diese den Wert der Nanopartikel in diagnostischen Tests und in der Wirkstoffforschung einschätzen können. Deals mit Instrumentenbauern kommen später, sagt Martin. Er schätzt, dass das Startup genug Geld hat, um ein weiteres Jahr zu überleben, sagt aber, dass es in diesem Frühjahr mehr Geld aufbringen will.

Das Unternehmen erwartet, bis Mitte des Jahres ein kommerzielles Produkt auf den Markt zu bringen, und Martin sagt, dass erste Anwendungen wahrscheinlich in der Arzneimittelforschung erfolgen werden. Aber längerfristig sticht eine Killer-App heraus. Quantum Dot arbeitet an biologischen Barcodes – Polymerkügelchen, die mit einer bekannten Kombination von Tausenden oder sogar Millionen von Quantenpunkten verpackt sind. Jede dieser Perlen hätte eine bekannte Farbsignatur – einen spektralen Strichcode. Anstatt ein Biomolekül durch Bindung mit einem Quantenpunkt zu markieren, wollen die Wissenschaftler Assays für die genetische Analyse auf der Oberfläche der Kügelchen bauen. Labs-on-a-Chip ist einer der heißesten neuen Ansätze für die genetische Analyse, und Quantum Dot hofft, dass sein Labor auf einem Bead eine einfachere Möglichkeit sein könnte, Gensequenzen zu erkennen. Auf der Oberfläche jedes Beads kleben die Forscher eine bestimmte DNA-Sequenz. Da Sie ohne weiteres Tausende, sogar Millionen von Kügelchen mit jeweils einer eigenen DNA-Sonde bilden könnten (und jede Sonde leicht anhand des Strichcodes identifizieren), könnte die Technik eine schnelle Möglichkeit bieten, gleichzeitig eine große Anzahl von Gensequenzen in z. eine Blutprobe, die ein wertvolles Diagnose- und Forschungsinstrument darstellt.

Wenn Cool nicht genug ist

Trotz ihrer frühen Erfolge bei der Geldbeschaffung sind sich die Gründer von Quantum Dot bewusst, dass das Unternehmen in eine Do-or-Die-Phase eintritt. Ohne ein Blockbuster-Produkt in unmittelbarer Zukunft befindet sich das Unternehmen in einer verwundbaren Phase, die viele Start-ups gemeinsam haben. Jede Gelegenheit hat ein Zeitfenster. Es gebe immer konkurrierende Technologien, sagt Mitgründer Manian. In drei Jahren sind wir vielleicht erfolgreich, aber wenn sich in zwei Jahren jemand eine Alternative einfallen lässt, hat der Zug den Bahnhof schon verlassen. Manian sagt, dass das Unternehmen Meilensteine ​​​​hat. Betrachtet man die Barrieren, auf die man stößt, ruft man subjektiv: Wird es in einer Woche gelöst oder dauert es zwei Jahre? Wenn es zwei Jahre dauert, müssen Sie sofort nach Alternativen oder einem Sicherheitsnetz suchen. Der Coolness-Faktor, warnt er, wird sehr schnell nachlassen, wenn man ihn nicht mit wirtschaftlichen Vorteilen unterstützen kann. Es muss zu realen Anwendungen führen.

Diese Dringlichkeit bei der Entwicklung von Anwendungen für die Nanopartikel hat einige der besten und klügsten jungen Quantenpunkt-Wissenschaftler zum Unternehmen geführt. Im Optiklabor von Quantum Dot hat eindeutig der 30-jährige Stephen Empedocles das Sagen. Dies ist das Schaufenster des Unternehmens, bei dem potenzielle Investoren beeindruckt sind. Aber Empedokles steht selbstbewusst daneben und lädt einen Besucher ein, durch das Mikroskop auf die einzelnen Teilchen zu schauen, nicht viel größer als ein paar Atome, die hell leuchten. Es ist ein Einblick in die Nanowelt, der sicherlich die Phantasie – und vielleicht das Scheckbuch – eines Investors wecken wird.

Doch die experimentelle Apparatur, die sich wie ein Labyrinth über den Labortisch zieht, verrät, dass dies noch immer auf dem neuesten Stand der Wissenschaft ist. Empedocles kam zu Quantum Dot, nachdem er im vergangenen Frühjahr seinen Doktortitel in Chemie am MIT abgeschlossen hatte. Empedokles, bereits anerkannter Experte in der Entwicklung analytischer Techniken zum Nachweis einzelner Quantenpunkte, hätte eine Stelle bei einer großen Forschungsorganisation annehmen oder eine beliebige akademische Position wählen können. Aber er fühlte sich von den Herausforderungen und Möglichkeiten angezogen, die grundlegende Wissenschaft der Quantenpunkte zu nutzen und die Technologie zu nutzen, um Einfluss auf die reale Welt zu nehmen.

Karde Muir-Harmonie Ehepartner

Sogar am MIT, sagt Empedocles, konnten die Leute nicht herausfinden, warum [er einer riskanten, neuen Firma beitreten würde.] Niemand sonst, den ich kannte, ging zu einem Startup. Der Grund dafür ist, dass die in der Computer- und Biotechnologieforschung verankerte Unternehmerkultur in den Naturwissenschaften noch am Anfang steht. Wenn es Quantum Dot jedoch gelingt, Nanotechnologie und Biotechnologie zu vereinen, könnte Empedokles feststellen, dass seine Kollegen am MIT ein neues Verständnis für seinen Karrieresprung gewinnen.

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