Forskere bruger nanoskala transistorer til at studere enkelt-molekyle interaktioner

Et tværfagligt team fra Columbia University, der omfatter elektroingeniører fra Columbia's Engineering School, sammen med forskere fra universitetets institutter for fysik og kemi, har fundet ud af en måde at studere enkelt-molekyle interaktioner på meget korte tidsskalaer ved hjælp af nanoskala transistorer. I et papir, der udkommer online den 23. januar i Natur nanoteknologi , de viser hvordan, for første gang, transistorer kan bruges til at detektere bindingen af ​​de to halvdele af DNA-dobbelthelixen med DNA'et bundet til transistorsensoren. Transistorerne detekterer og forstærker direkte ladningen af ​​disse enkelte biomolekyler.

Forud for dette arbejde, videnskabsmænd har i vid udstrækning brugt fluorescensteknikker til at se på interaktioner på niveau med enkelte molekyler. Disse undersøgelser har givet grundlæggende forståelse for foldning, montage, dynamik, og funktion af proteiner og andre cellulære maskineri. Men disse teknikker kræver, at målmolekylerne, der undersøges, mærkes med fluorescerende reportermolekyler, og båndbredderne til detektion er begrænset af den tid, der kræves for at indsamle det meget lille antal fotoner, der udsendes af disse reportere.

Columbia-forskerne, herunder professor i elektroteknik Ken Shepard, Professor i kemi Colin Nuckolls, og kandidatstuderende Sebastian Sorgenfrei og Chien-Yang Chiu, indså, at transistorer, som dem, der bruges i moderne integrerede kredsløb, har nået de samme nanoskala dimensioner som enkelte molekyler. "Så dette rejste det interessante spørgsmål, sagde Sorgenfrei, hovedforfatteren på undersøgelsen, "om disse meget små transistorer kunne bruges til at studere individuelle molekyler."

De har opdaget, at svaret er "ja". Transistorerne anvendt i denne undersøgelse er lavet af kulstof nanorør, som er cylindriske rør udelukkende lavet af kulstofatomer. Selvom disse stadig er nye enheder til elektronikapplikationer, de er udsøgt følsomme, fordi biomolekylet kan bindes direkte til kulstofnanorørsvæggen, hvilket skaber tilstrækkelig følsomhed til at detektere et enkelt DNA-molekyle.

Columbia-teamet forventer, at denne nye teknik vil være et kraftfuldt værktøj til at se på enkeltmolekyle-interaktioner og ser på instrumenteringsapplikationer, der i øjeblikket næsten udelukkende er afhængige af fluorescens, såsom proteinassays og DNA-sekventering. De planlægger også at studere interaktioner på tidsskalaer flere størrelsesordener større end nuværende teknikker baseret på fluorescens.

"Området med enkeltmolekyleforskning er et vigtigt område og skubber rammerne for vores sansesystemer, " kommenterede Ken Shepard, Professor i elektroteknik ved Columbia Engineering. "Der er et enormt potentiale for moderne nanoelektronik til at spille en vigtig rolle på dette felt. Vores arbejde, som har været et forrygende samarbejde mellem grupper fra Elektroteknik, Kemi, og fysik, er et godt eksempel på, hvordan nanoelektronik og bioteknologi kan kombineres til at producere nye, spændende resultater."

Shepard håber, at denne forskning, som primært blev finansieret af National Science Foundation og National Institutes of Health, vil føre til spændende nye applikationer til elektroniske kredsløb i nanoskala.