De eerste moleculaire elektronische chip is ontwikkeld, waarmee een 50 jaar oud doel werd gerealiseerd om afzonderlijke moleculen in circuits te integreren om de ultieme schaallimieten van de wet van Moore te bereiken. De chip is ontwikkeld door Roswell Biotechnologies en een multidisciplinair team van vooraanstaande academische wetenschappers en gebruikt enkele moleculen als universele sensorelementen in een circuit om een ​​programmeerbare biosensor te creëren met realtime gevoeligheid voor één molecuul en onbeperkte schaalbaarheid in sensorpixeldichtheid. Deze innovatie verschijnt deze week in een collegiaal getoetst artikel in de Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) , zal vooruitgang mogelijk maken op diverse gebieden die fundamenteel zijn gebaseerd op het observeren van moleculaire interacties, waaronder het ontdekken van geneesmiddelen, diagnostiek, DNA-sequencing en proteomics.

"Biologie werkt door afzonderlijke moleculen die met elkaar praten, maar onze bestaande meetmethoden kunnen dit niet detecteren", zegt co-auteur Jim Tour, Ph.D., hoogleraar scheikunde aan de Rice University en een pionier op het gebied van moleculaire elektronica. "De sensoren die in dit artikel voor het eerst worden gedemonstreerd, laten ons luisteren naar deze moleculaire communicatie, waardoor een nieuwe en krachtige kijk op biologische informatie mogelijk wordt."

Het moleculaire elektronicaplatform bestaat uit een programmeerbare halfgeleiderchip met een schaalbare sensorarray-architectuur. Elk array-element bestaat uit een elektrische stroommeter die de stroom bewaakt die door een nauwkeurig ontworpen moleculaire draad vloeit, geassembleerd om nano-elektroden te overspannen die deze rechtstreeks in het circuit koppelen. De sensor wordt geprogrammeerd door het gewenste probemolecuul aan de moleculaire draad te bevestigen, via een centrale, gemanipuleerde conjugatieplaats. De waargenomen stroom zorgt voor een directe, real-time elektronische uitlezing van moleculaire interacties van de sonde. Deze stroom-versus-tijdmetingen op picoamp-schaal worden in digitale vorm uit de sensorarray uitgelezen, met een snelheid van 1000 frames per seconde, om gegevens over moleculaire interacties vast te leggen met een hoge resolutie, precisie en doorvoer.

"Het doel van dit werk is om biosensing op een ideale technologische basis te zetten voor de toekomst van precisiegeneeskunde en persoonlijk welzijn", voegde Roswell mede-oprichter en Chief Scientific Officer Barry Merriman, Ph.D., de senior auteur van het artikel toe. "Dit vereist niet alleen biosensing op een chip, maar op de juiste manier, met de juiste soort sensor. We hebben het sensorelement voorgekrompen tot op moleculair niveau om een ​​biosensorplatform te creëren dat een geheel nieuw soort real- tijdmeting met één molecuul met een lange-termijn, onbeperkte schalingsroutekaart voor kleinere, snellere en goedkopere tests en instrumenten."

Het nieuwe moleculaire elektronicaplatform detecteert multi-omische moleculaire interacties op de schaal van één molecuul, in realtime. De PNAS paper presenteert een breed scala aan sondemoleculen, waaronder DNA, aptameren, antilichamen en antigenen, evenals de activiteit van enzymen die relevant zijn voor diagnostiek en sequencing, waaronder een CRISPR Cas-enzym dat zijn doel-DNA bindt. Het illustreert een breed scala aan toepassingen voor dergelijke sondes, waaronder het potentieel voor snelle COVID-tests, medicijnontdekking en proteomics.

De paper presenteert ook een moleculaire elektronische sensor die in staat is om de DNA-sequentie te lezen. In deze sensor is een DNA-polymerase, het enzym dat DNA kopieert, in het circuit geïntegreerd, en het resultaat is directe elektrische observatie van de werking van dit enzym terwijl het een stukje DNA letter voor letter kopieert. In tegenstelling tot andere sequencing-technologieën die afhankelijk zijn van indirecte metingen van polymerase-activiteit, bereikt deze benadering directe, realtime observatie van een DNA-polymerase-enzym dat nucleotiden bevat. Het artikel illustreert hoe deze activiteitssignalen kunnen worden geanalyseerd met machine learning-algoritmen om het lezen van de reeks mogelijk te maken.

"De Roswell-sequencingsensor biedt een nieuw, direct beeld van de polymerase-activiteit, met het potentieel om de sequencing-technologie vooruit te helpen door extra orden van grootte in snelheid en kosten", zei professor George Church, een co-auteur van het artikel, lid van de National Academy of Sciences, en lid van de wetenschappelijke adviesraad van Roswell. "Deze ultraschaalbare chip opent de mogelijkheid voor sterk gedistribueerde sequencing voor persoonlijke gezondheids- of omgevingsmonitoring, en voor toekomstige toepassingen met ultrahoge doorvoer, zoals DNA-gegevensopslag op exabyteschaal." + Verder verkennen

Ontwikkeling van 'cellulaire membraan-FET (lipid-FET)' voor gevoeligheid van biosensor