Naarmate nanotechnologie steeds alomtegenwoordiger wordt, onderzoekers gebruiken het om medische diagnostiek kleiner te maken, sneller, en goedkoper, om ziekten beter te kunnen diagnosticeren, leer meer over erfelijke eigenschappen, en meer. Maar naarmate sensoren kleiner worden, het meten ervan wordt moeilijker - er is altijd een afweging tussen hoe lang een meting duurt en hoe nauwkeurig deze is. En als een signaal erg zwak is, de afweging is vooral groot.

Een team van onderzoekers van Columbia Engineering, onder leiding van professor elektrotechniek Ken Shepar, samen met collega's van de Universiteit van Pennsylvania, heeft een manier bedacht om nanoporiën te meten - kleine gaatjes in een dun membraan die afzonderlijke biologische moleculen zoals DNA en eiwitten kunnen detecteren - met minder fouten dan kan worden bereikt met commerciële instrumenten. Ze hebben de meting geminiaturiseerd door een op maat gemaakte geïntegreerde schakeling te ontwerpen met behulp van commerciële halfgeleidertechnologie, het bouwen van de nanoporiënmeting rond de nieuwe versterkerchip. Hun onderzoek zal worden gepubliceerd in de Advance Online Publication on Natuurmethoden 's website op 18 maart.

Nanoporiën zijn opwindende wetenschappers omdat ze kunnen leiden tot extreem goedkope en snelle DNA-sequencing. Maar de signalen van nanoporiën zijn erg zwak, dus het is van cruciaal belang om ze zo schoon mogelijk te meten.

"We hebben een kleine versterkerchip direct in de vloeistofkamer naast de nanoporie geplaatst, en de signalen zijn zo zuiver dat we enkele moleculen in slechts één microseconde door de porie kunnen zien gaan, " zegt Jacob Rosenstein, een doctoraat kandidaat in elektrotechniek bij Columbia Engineering en hoofdauteur van het artikel. "Eerder, wetenschappers konden alleen moleculen zien die langer dan 10 microseconden in de porie blijven."

Veel single-molecule metingen worden momenteel gedaan met behulp van optische technieken, die fluorescerende moleculen gebruiken die fotonen op een bepaalde golflengte uitzenden. Maar, terwijl fluorescentie zeer krachtig is, de belangrijkste beperking is dat elk molecuul gewoonlijk slechts een paar duizend fotonen per seconde produceert. "Dit betekent dat je niets kunt zien dat sneller dan een paar milliseconden gebeurt, omdat elk beeld dat je zou kunnen maken te vaag zou zijn, " legt Shepard uit, wie is Rosensteins adviseur. "Anderzijds, als je technieken kunt gebruiken die elektronen of ionen meten, je kunt miljarden signalen per seconde ontvangen. Het probleem is dat er voor elektronische metingen geen equivalent is voor een fluorescerend golflengtefilter, dus ook al komt het signaal door, het is vaak begraven in achtergrondgeluid."

De groep van Shepard is al enkele jaren geïnteresseerd in metingen van één molecuul en kijkt naar een verscheidenheid aan nieuwe transductieplatforms. Ze begonnen te werken met sensoren met nanoporiën nadat Marija Drndic, een professor in de natuurkunde aan de Universiteit van Pennsylvania, gaf een seminar bij Columbia Engineering in 2009. "We zagen dat bijna iedereen nanoporiën meet met behulp van klassieke elektrofysiologische versterkers, die meestal zijn geoptimaliseerd voor langzamere metingen, " merkt Shepar op. "Dus hebben we in plaats daarvan onze eigen geïntegreerde schakeling ontworpen."

Rosenstein ontwierp de nieuwe elektronica en deed veel van het laboratoriumwerk. Drndic's groep aan de Universiteit van Pennsylvania fabriceerde de nanoporiën die het team vervolgens in hun nieuwe systeem heeft gemeten.

"Terwijl de meeste groepen DNA proberen te vertragen, onze aanpak is om snellere elektronica te bouwen, ", zegt Drndic. "We hebben de meest gevoelige elektronica gecombineerd met de meest gevoelige solid-state nanoporiën."

"Het is heel opwindend om puur elektronische metingen van afzonderlijke moleculen te kunnen doen, " zegt Rosenstein. "De opzet voor nanoporiemetingen is heel eenvoudig en draagbaar. Het vereist geen ingewikkelde microscoop of krachtige instrumenten; het vereist gewoon aandacht voor detail. Je kunt je voorstellen dat nanoporiëntechnologie de komende jaren een grote impact zal hebben op DNA-sequencing en andere medische toepassingen."

De groep van Shepard blijft deze technieken verbeteren. "Met een ontwerp van de volgende generatie, " hij zegt, "misschien kunnen we nog een verbetering van 10x krijgen, en meet dingen die slechts 100 nanoseconden duren. Ons lab werkt ook met andere elektronische technieken met één molecuul op basis van koolstofnanobuistransistors, die vergelijkbare elektronische circuits kunnen gebruiken. Dit is een spannende tijd!"