Een interdisciplinair team van Columbia University met onder meer elektrotechnici van Columbia's Engineering School, samen met onderzoekers van de faculteiten Natuurkunde en Scheikunde van de universiteit, heeft een manier bedacht om interacties van één molecuul op zeer korte tijdschalen te bestuderen met behulp van transistors op nanoschaal. In een paper die op 23 januari online wordt gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie , ze laten zien hoe, Voor de eerste keer, transistors kunnen worden gebruikt om de binding te detecteren van de twee helften van de dubbele DNA-helix met het DNA dat aan de transistorsensor is vastgemaakt. De transistors detecteren en versterken direct de lading van deze afzonderlijke biomoleculen.

Voorafgaand aan dit werk, wetenschappers hebben grotendeels fluorescentietechnieken gebruikt om interacties op het niveau van afzonderlijke moleculen te bekijken. Deze studies hebben geleid tot fundamenteel begrip van vouwen, samenkomst, dynamiek, en functie van eiwitten en andere cellulaire machines. Maar deze technieken vereisen dat de bestudeerde doelwitmoleculen worden gelabeld met fluorescerende reportermoleculen, en de bandbreedtes voor detectie zijn beperkt door de tijd die nodig is om het zeer kleine aantal fotonen te verzamelen dat door deze reporters wordt uitgezonden.

De onderzoekers van Columbia, waaronder hoogleraar Elektrotechniek Ken Shepar, hoogleraar scheikunde Colin Nuckolls, en afgestudeerde studenten Sebastian Sorgenfrei en Chien-Yang Chiu, besefte dat transistoren, zoals die worden gebruikt in moderne geïntegreerde schakelingen, dezelfde nanoschaaldimensies hebben bereikt als afzonderlijke moleculen. "Dus dit riep de interessante vraag op, " zei Sorgenfrei, de hoofdauteur van het onderzoek, "of deze zeer kleine transistors kunnen worden gebruikt om individuele moleculen te bestuderen."

Ze hebben ontdekt dat het antwoord 'ja' is. De transistors die in dit onderzoek zijn gebruikt, zijn gemaakt van koolstofnanobuisjes, dat zijn cilindrische buizen die volledig uit koolstofatomen zijn gemaakt. Hoewel dit nog steeds opkomende apparaten voor elektronische toepassingen zijn, ze zijn buitengewoon gevoelig omdat het biomolecuul direct aan de wand van de koolstofnanobuis kan worden vastgemaakt, waardoor er voldoende gevoeligheid ontstaat om een ​​enkel DNA-molecuul te detecteren.

Het Columbia-team verwacht dat deze nieuwe techniek een krachtig hulpmiddel zal zijn om naar interacties met één molecuul te kijken en kijkt naar instrumentatietoepassingen die momenteel bijna uitsluitend afhankelijk zijn van fluorescentie, zoals eiwitassays en DNA-sequencing. Ze zijn ook van plan om interacties te bestuderen op tijdschalen die verschillende orden van grootte groter zijn dan de huidige technieken op basis van fluorescentie.

"Het gebied van onderzoek naar enkelvoudige moleculen is belangrijk en verlegt de grenzen van onze waarnemingssystemen, " merkte Ken Shepard op, Hoogleraar Elektrotechniek aan Columbia Engineering. "Er is een enorm potentieel voor moderne nano-elektronica om een ​​belangrijke rol te spelen op dit gebied. Ons werk, wat een geweldige samenwerking is geweest tussen groepen van Electrical Engineering, Scheikunde, en natuurkunde, is een goed voorbeeld van hoe nano-elektronica en biotechnologie kunnen worden gecombineerd om nieuwe, spannende resultaten."

Shepar hoopt dat dit onderzoek, die voornamelijk werd gefinancierd door de National Science Foundation en de National Institutes of Health, zal leiden tot spannende nieuwe toepassingen voor elektronische schakelingen op nanoschaal.