(Phys.org)—Ken Shepard, hoogleraar elektrotechniek, gelooft dat er nergens anders ter wereld is waar hij zou kunnen doen wat hij doet. "Stel je een convergentie van halfgeleidertechnologie en biotechnologie voor. Er is geen bedrijf dat expertise heeft in beide, "zegt hij. "Er is een universiteit voor nodig om erachter te komen hoe je die twee stukken in elkaar kunt zetten en nieuwe technologieën kunt creëren uit deze synergie."

Vooral, zijn onderzoek richt zich op het vinden van nieuwe toepassingen voor geïntegreerde schakelingen, of chips. Halfgeleideronderzoek heeft hij zegt, "gericht op het gebruik van geïntegreerde schakelingen voor het bouwen van computers en communicatieapparatuur zoals mobiele telefoons, maar wat we niet echt hebben onderzocht, is hoe we ze kunnen gebruiken voor biotechnologie."

herder, die voordat hij in 1997 bij Columbia kwam, voor IBM werkte en microprocessors ontwierp, gebruikt elektronica om te communiceren met biologische systemen, van enkele moleculen tot cellen. De meest voorkomende interfaces naar levende systemen gebruiken licht als intermediair, vertrouwen op microscopen om gespecialiseerde moleculen te observeren die fluoresceren in de aanwezigheid van licht en als labels dienen.

"Je kan het zien, maar je ziet het amper Shepard zegt over het gebruik van een microscoop. "Je moet heel lang gegevens verzamelen om een ​​signaal te krijgen. die beperkt wat je kunt doen."

In plaats daarvan, Shepard en zijn team communiceren rechtstreeks met biomoleculaire en biologische systemen met behulp van een aantal objecten op nanoschaal. Dit omvat interfacing elektroden op nanoschaal, nanoporiën (gaten op nanoschaal in een solid-state membraan) en koolstof nanobuistransistors naar silicium geïntegreerde schakelingen. "Op het niveau van afzonderlijke moleculen, " hij zegt, "het resultaat is signaalniveaus die meer dan een miljoen keer hoger kunnen zijn dan bij het gebruik van optische technieken."

In een experiment, Shepard en zijn team, in samenwerking met professor Colin Nuckolls en universitair hoofddocent Ruben L. Gonzalez Jr. in de chemie, neem een ​​klein buisje koolstof, of nanobuis, en verbreek een van zijn koolstofbindingen. Een enkel molecuul is bevestigd op de plaats van de verbroken binding. Wanneer dit "sonde"-molecuul interageert met een "doelwit, "Onderzoekers kunnen deze interactie volgen en meten door veranderingen in de elektrische geleiding van de nanobuisjes. Op deze manier kunnen de wetenschappers kunnen een breed scala aan biologische fenomenen bestuderen, zoals de manier waarop dubbelstrengs DNA smelt en hybridiseert, evenals eiwitinteracties en structurele veranderingen.

In het werk van Shepard met nanoporiën, die zo klein zijn dat je er een enkel molecuul DNA doorheen kunt rijgen, hij gebruikt een op maat gemaakte geïntegreerde schakeling om de veranderingen in de elektrische signalen te versterken die worden veroorzaakt door het molecuul dat door de nanoporie beweegt. "Het stelt ons in staat om de signaalgetrouwheid te verbeteren en translocatiegebeurtenissen door de poriën beter te detecteren, " hij zegt.

Een dergelijk vooruitzicht opent een hele nieuwe wereld van mogelijkheden bij het miniaturiseren en verbeteren van de prestaties van veel moleculaire diagnostische technieken. De huidige methoden voor DNA-sequencing zijn gebaseerd op het sequencen van miljoenen gebeurtenissen tegelijk om een ​​voldoende groot signaal te genereren en de onderliggende sequentie te bepalen. Door een enkele DNA-streng door een nanoporie te trekken, kunnen onderzoekers mogelijk basenparen van slechts een enkel molecuul detecteren.

Andere toepassingen voor deze technologieën zijn onder meer goedkope en snelle genomische tests voor infectieuze agentia. In samenwerking met professor Ian Lipkin, directeur van het Centrum voor Infectie en Immuniteit van de Mailman School of Public Health, Shepar en zijn team werken samen aan het creëren van DNA-tests waarmee volksgezondheidsfunctionarissen kunnen werken met een enkel molecuul en een apparaat op nanoschaal om analyses uit te voeren en onmiddellijke identificatie van infectieuze agentia te verkrijgen. Shepard zegt, "Je zou een heel eenvoudige bloedtest kunnen doen en een heel eenvoudig apparaat kunnen gebruiken, sluit hem aan op een laptop en ontdek met welke ziekteverwekkers je bent geïnfecteerd."

Shepard vergelijkt de sprong die zijn team probeert te maken bij het bestuderen van moleculen vergelijkbaar met de verschuiving van mainframecomputers naar de kleine computerapparatuur die tegenwoordig in gebruik is. "Het idee is om geïntegreerde circuittechnologie te gebruiken om deze zeer grote dure machines terug te brengen tot zeer kleine goedkope instrumenten die op een veel persoonlijkere schaal kunnen worden gebruikt."