Приложение №1 к Порядку подачи заявок на финансирование
advertisement
(Инновационный проект) Разработка цветного флуоресцентного трехмерного микроскопа с разрешением 20нм Руководитель проекта: Климов Андрей Алексеевич, нс ИТЭБ РАН, кбн Москва, Конкурс Русских Инноваций Наноскоп nanoscop@gmail.com 2007 Аннотация Разработана схема трехмерного оптического (флуоресцентного) микроскопа (рабочее название "наноскоп") со сверхвысоким разрешением. Ожидаемая разрешающая способность наноскопа не хуже 20 нм, что примерно в 10 раз лучше разрешения лучших представителей других классов линзовых микроскопов (в т.ч. конфокальных, ....), базирующихся на видимом свете. По своей разрешающей способности наноскоп уступает зондовым и электронным микроскопам, но в отличие от них он позволяет восстановить цветное трехмерное изображение объекта, а не изображение его поверхности. Таким образом, наноскоп станет лучшим устройством для исследования молекулярных структур в клетках и их взаимодействия между собой, расположения субструктур, обладающих отличающимися друг от друга свойствами и окрашенными в разные цвета: например белков, жиров, углеводов, нуклеиновых кислот, субструктур с разным сродством к используемым красителям и т.п. Возможно использование наноскопа на объектах во влажной среде (в т.ч. в жидкости), на живых объектах и на фиксированных объектах. Области применения у наноскопа в основном такие же как и у конфокального микроскопа: исследование биологических объектов (в том числе во влажной среде и в том числе живых, но малоподвижных), нанотехнологии, микроэлектроника. Основные конкурентные преимущества: высокая разрешающая способность, вкупе с низкой себестоимостью. Мы надеемся, что они позволят наноскопу в течение нескольких лет существенно потеснить конфокальные микроскопы, объем продаж которых в мире сейчас составляет около $80 млн (продается около 400 штук в год). Себестоимость наноскопов составит от 25 до 100 тысяч долларов (в зависимости от масштабов производства и использованных комплектующих), а рыночная цена составит от 150 тысяч до 1 миллиона долларов и м.б. более (оценка базируется на сравнении с ценами на зондовые, электронные, конфокальные и пр. микроскопы). Сборка наноскопов возможна из импортных комплектующих и в этом случае не потребует высокой квалификации персонала. Для создания прототипа и разработку необходимого программного обеспечения необходимо около $50 000. После создания прототипа потребуется серьезная рекламная компания нацеленная на научноисследовательские лаборатории в области биологии, медицины, наноэлектроники и др. хай-тек областей, и на коммерческие предприятия (фармакологические, биотехнологические, электронные), работающие в тех же областях. Проводится патентование технологии в РФ и за рубежом. Информация о заявителе Заявители: Руководитель проекта: Климов Андрей Алексеевич, 1946 г.р., к.б.н., окончил Московский ФизикоТехнический Институт (МФТИ) в 1970г. и аспирантуру Института биологической физики (ИБФ АН СССР) г. Пущино в 1973 году. С 1974 года научный сотрудник ИБФ АН СССР и затем Института теоретической и экспериментальной биофизики (ИТЭБ) РАН. Работал в 1992 - 1994 и 2005, 2006 годах в Вашингтонском университете в Сиэтле. В 1997 - 2000 годах работал в Пенсильванском университете в Филадельфии, а в последующие годы около половины времени работал в Пенсильванском университете в Филадельфии, а другую половину - в ИТЭБ в Пущино. Является основным разработчиком технологии. Адрес: 142290, г. Пущино МО, мкрн Д, д.6, кв.79 Телефон: +79031843157 Научных работ по заявленной теме не опубликовано, поскольку до завершения патентования было опасно оглашать результаты нашей работы. Помощник руководителя проекта: Климов Дмитрий Андреевич, 1984г.р., окончил Московский ФизикоТехнический Институт (МФТИ) в 2006г. Занимается разработкой алгоритмов для работы наноскопа, проведением патентных работ, налаживанием связей (в т.ч. работой с Конкурсом Русских Инноваций) e-mail: nanoscop@gmail.com site: http://online.stack.net/~klimov/Nanoscop.htm Современное состояние исследований и разработок в области реализации проекта. Новизна предлагаемого подхода по сравнению с известными В настоящий момент основным препятствием в реализации проекта является отсутствие денег необходимых для приобретения оборудования. Ведутся работы по привлечению соисполнителей, обладающих необходимым оборудованием. Детальность проработки устройства микроскопа такова, что при наличии необходимого оборудования (обычный флуоресцентный микроскоп, камера с высокой чувствительностью на чипе TSC235 или лучше, лазер на 450-500нм и другие, менее дефицитные компоненты) возможно собрать наноскоп за несколько дней и приступить к исследованию его возможностей. Программное обеспечение необходимое для обработки результатов требует оптимизации по производительности, но уже сейчас позволит обрабатывать один кадр с временем экспозиции около 2-4 часов примерно за 24 часа на обычном компьютере. Новизна заявленной технологии не вызвала сомнений у сотрудников Роспатента, и выдача патента ожидается в ближайшее время. Конкурирующими с нашей технологией являются технология конфокальной микроскопии и технология электронной микроскопии. Однако наноскоп по нашей технологии обладает тремя несомненными преимуществами: 1) высокая разрашающая способность 2) возможность получения цветного изображения. 3) возможность работы с живыми объектами во влажной среде. Сущность предлагаемой разработки. Разработана схема флуоресцентного микроскопа (рабочее название "наноскоп"), отличающегося от прочих оптических микроскопов тем, что он имеет намного более высокую разрешающую способность. Ожидаемая разрешающая способность не хуже 20 нм, что примерно в 10 раз лучше разрешения прочих линзовых микроскопов (в т.ч. конфокальных, ....), базирующихся на видимом свете. По своей разрешающей способности наноскоп уступает зондовым и электронным микроскопам, но в отличие от них он позволяет восстановить цветное трехмерное изображение объекта, а не изображение его поверхности. Таким образом, наноскоп станет лучшим устройством для исследования молекулярных структур в клетках и их взаимодействия между собой, расположения субструктур, обладающих отличающимися друг от друга свойствами и окрашенными в разные цвета: например белков, жиров, углеводов, нуклеиновых кислот, субструктур с разным сродством к используемым красителям и т.п. Основной принцип, отличающий наноскоп от прочих флуоресцентных микроскопов, заключается в том, что молекулы красителя светятся не все одновременно. Используются специальные красители, для флуоресценции которых необходима предварительная активация, например, ультрафиолетовым излучением. Активация происходит таким образом, что одновременно активируется от нескольких сотен до нескольких тысяч молекул красителя. Активированные молекулы способны к флуоресценции, но с течением времени "выгорают", т.е. теряют способность к флуоресценции. В результате на камере, присоединенной к микроскопу, фиксируется какое-то количество видимых раздельно пятен, каждое из которых соответствует одной молекуле. С высокой статистической точностью восстанавливаются положения центров и диаметры пятен. Затем происходит повторная активация такой же доли красителя, и делается следующий снимок. В результате многократного повторения этой процедуры соседние молекулы красителя будут зафиксированы на разных кадрах. Информация о положении молекул красителя собирается со всех кадров и на ее основе воссоздается картина расположения молекул флуоресцентного красителя. Она оказывается намного более точной, чем в обычном микроскопе, в котором пятна от соседних молекул сливаются, и молекулы оказываются неразличимы. Подобный подход позволяет вырваться за прежние границы для оптических микроскопов, заключавшиеся в утверждении "разрешающая способность микроскопа не может быть меньше, чем примерно половина длины волны используемого света". С определенными поправками на апертуры объектива микроскопа и конденсора. В нашем случае разрешающая способность будет намного меньше, чем длина волны света. Красители, аппаратура и программное обеспечение, необходимые для достижения разрешения 20 нм уже определены и имеются в продаже, а для более высокого разрешения – вероятно, смогут быть разработаны по специальному заказу. Мероприятия по охране прав на интеллектуальную собственность. Производится патентование способа флуоресцентной микроскопии. Выдача патента РФ ожидается в ближайшее время – все согласования и формальности уже пройдены. Выдан «международный патент» по программе PCT: PCT/RU 2006/000231 (WO/2006/123967) Конкурентные преимущества. Разрешение 20нм Возможность работы с живыми объектами во влажных средах Возможность получения 3D-изображения с разрешением около 50нм по оси Z, и глубиной исследования объекта до 10мкм и более (в зависимости от свойств исследуемого объекта) Рынок сбыта. Флуоресцентные микроскопы нашли широчайшее применение в исследовании биологических объектов, таких как целые клетки, их фрагменты и крупные белковые структуры. Технологии, необходимые для производства флуоресцентных микроскопов и флуоресцентных красителей, интенсивно развиваются уже несколько десятилетий, и в настоящий момент микроскопия представляет собой относительно широкий динамично развивающийся рынок. Компоненты и красители, необходимые для создания и работы наноскопа, уже существуют и имеют относительно невысокую стоимость. Для улучшения характеристик наноскопа – т.е. для получения разрешения в 10 нм и менее, вероятно, потребуется разработка новых красителей. Фирмы, способные осуществить эту разработку, так же существуют. Красители для получения разрешения 20 нм были разработаны около 15 лет назад, но не нашли широкого применения (мало кто умел воспользоваться ими в исследовательской работе), и потому дальнейшие разработки просто не велись. С появлением наноскопа эти красители найдут своего потребителя. Подобные микроскопы в основном пользуются спросом в биологических лабораториях и в микроэлектронике. Биологи, занимающиеся неподвижными объектами, такими как белки, ДНК и клеточные мембраны, смогут получить информацию об объектах своих исследований, которая была недоступна до сих пор. Очень медленно движущиеся объекты, т.е. к примеру, структуры живых клеток, могут быть исследованы с помощью наноскопа, но точность исследований будет несколько ниже, чем заявленные 20 нм, но все же выше, чем у существующих линзовых микроскопов. Мы не можем достоверно оценить количество потенциальных покупателей для нашей продукции, но, судя по всему, подобными исследованиями занимается несколько тысяч лабораторий по всему миру (в основном – в США, Европе и Японии). Микроэлектроника имеет дело в основном с поверхностями образцов, которые хорошо исследуются с помощью зондовых микроскопов. При правильном подборе красителей можно использовать предлагаемый наноскоп для цветного окрашивания твердых поверхностей в микроэлектронике и металлургии в цвета, определяемые структурно-химическими особенностями деталей поверхности. Однако время не стоит на месте, и есть основания полагать, что, имея инструмент для высокоточного исследования трехмерных структур, микроэлектроника и металлургия смогут выйти на новый уровень в этом направлении. Нашими основными покупателями будут научно-исследовательские лаборатории в университетах и коммерческих фирмах, занимающихся биологией (life sciences), нанотехнологиями и микроэлектроникой. Наноскоп однозначно будет иметь более высокое разрешение, чем конфокальные и электронные микроскопы, что является важнейшим конкурентным преимуществом. При этом во многих случаях он может быть более удобен и прост в использовании, чем конфокальные и электронные микроскопы. Так же в некоторых случаях наноскоп сможет заменить или дополнить зондовый микроскоп, хотя, конечно же, это разные сегменты рынка, которые достаточно мало пересекаются. Сегмент рынка конфокальных микроскопов: около 400 штук в год на сумму около $90млн-$100млн, со скоростью роста объема продаж 7.4%. Основные производители: Bio-Rad (41%) и Leica (36%) Общий объем продаж электронных микроскопов составляет около $300 млн (продается около 1500 микроскопов в год) и растет со скоростью 8.5% в год. Основные производители: Hitachi (23%), Jeol (20%), далее идут Philips, Leica и ELA-Tenecor. Общий объем рынка микроскопов составляет около $2 000 000 000 и растет со скоростью11%. Нет причин ожидать спада спроса на микроскопию, особенно высококлассную, поскольку технологии использующие микроскопы с разрешением в 1 мкм и лучше могут скоро выйти из научно-исследовательских институтов и попасть в широкое применение в медицине, например, при диагностике рака и других тяжелых заболеваний, для предсказания предрасположенности человека к наследственным или приобретенным болезням и т.п. Экономические показатели для производства наноскопов примерно таковы: 1)Емкость рынка—несколько десятков тысяч приборов 2)Себестоимость одного прибора составит от $10 000 до $50 000 в зависимости от того, какого качества компоненты будут использоваться 3)Рыночная цена одного прибора составит порядка $200 000 - $500 000. Оценка строится на сравнении с ценами конфокальных, электронных и зондовых микроскопов. 4)Время выхода разработки на самоокупаемость составит около 3 лет в связи с некоторой консервативностью рынка сбыта. Но после утверждения на рынке, эффективность продаж может стать очень высокой. Порядок коммерциализации результатов разработки. Наиболее перспективным способом коммерциализации разработки мы считаем продажу лицензии на производство наноскопов. Дело в том, что стоимость входа новой компании на этот рынок достаточно высока и вряд ли будет осмысленным создавать новую компанию, которая будет выпускать лишь один вид продукции для этого рынка. К тому же, изготавливаемый из комплектующих, которые делаются другими компаниями. Кроме того, научно-исследовательский рынок устроен так, что реальные продажи начнутся лишь через 2-3 года после создания прототипа. Ведь на прототипе надо будет получить первые изображения, потом по ним опубликовать статьи в читаемых научных журналах, да к тому же такие статьи, которые заставят потенциальных покупателей захотеть купить именно наш наноскоп, затем потенциальные покупатели, по-крайней мере из научного сообщества, будут вынуждены дождаться выделения по грантам денег, которые можно было бы пустить под покупку нового, незнакомого устройства… В общем и целом, мы считаем создание фирмы в России для коммерциализации этой разработки малоперспективным. С другой стороны, мы надеемся поддержать отечественного производителя и рассчитываем в ближайшие месяцы найти коммерческие или научные структуры, способные помочь нам в этом проекте. Состояние и источники инвестирования в реализацию проекта. На данный момент внешнего финансирования по этому проекту не было. Заявок на гранты МинНауки или РФФИ не оформлялось. Предстоящие затраты по проекту. НИОКР На покупку комплектующих для прототипа требуется около $25 000 - $50 000 – в зависимости от финансовых возможностей, качество прототипа будет различным. Возможна аренда части комплектующих на время НИОКР, что позволит снизить затраты на закупки – переговоры на эту тему ведутся. На работы по изготовлению прототипа, его налаживанию, исследованию его характеристик и т.п. НИОКР работы нужно $20 000. Далее необходима разработка ПО для управления микроскопом, считывания результатов с сенсоров и обработку этих результатов с целью получения 3D-картинки объекта. Минимальная версия необходимого софта уже написана, но конечный потребитель ею вряд захочет пользоваться. Создание же user-friendly программы должно стоить около $10 000 и точно менее $50 000. Патентование Патентование технологии в США, Европе и пр. будет стоить, по нашим сведениям, до $50 000. Коммерциализация Наноскопы будут изготавливаться из комплектующих, производимых сторонними организациями. Фактически, при наличии всех комплектующих, сборка наноскопа потребует 1 дня работы специалиста и ее возможно осуществлять на месте эксплуатации. Стоимость комплектующих составит от $25 000 до $100 000 в зависимости от потребностей заказчика. Таким образом, на этапе коммерциализации потребуются оборотные средства в размере до $200 000 для обеспечения своевременной поставки комплектующих на место сборки. Этапы вида «склад», «сборочный цех», «таможня» не являются необходимыми, поскольку комплектующие могут быть куплены у региональных дилеров таких крупных компаний как Carl Zeiss, Nikon, Olympus, ЛОМО (Россия) и пр. и, соответственно, время на их доставку на место сборки будет ограничиваться 2-4 неделями. Доставка, нередко занимающая 3 месяца для других высокотехнологичных устройств – в связи с таможенными проблемами или сложностью их перевозки в собранном состоянии – в нашем случае может быть исключена из производственно-сбытового цикла. Справка Каждый микроскоп, изготавливаемый по нашей технологии состоит из: - Обычного недорогого флуоресцентного микроскопа с хорошим объективом ($3 000 -- $4 000) - Лазера на длину волны 450 -- 500нм, мощностью 50 -- 500мВт (стоимостью до $10 000) - Запирающие фильтры ($250 -- $1000) - Видеокамера ($5 500 -- $35 000) - Компьютер ($1 000) - Вспышка ($100) - Остальные комплектующие ($100) - Красители (Заказ партии красителя $6 000 – 100мг красителя, но его хватит на 2000 снимков. Также красители можно синтезировать самостоятельно по цене менее $1000 за 100мг)
