Forskere øger hastigheden af ​​enkeltmolekylære målinger

Efterhånden som nanoteknologi bliver mere og mere allestedsnærværende, forskere bruger det til at gøre medicinsk diagnostik mindre, hurtigere, og billigere, for bedre at diagnosticere sygdomme, lære mere om arvelige træk, og mere. Men som sensorer bliver mindre, at måle dem bliver vanskeligere - der er altid en afvejning mellem, hvor lang tid en måling tager at foretage, og hvor præcis den er. Og når et signal er meget svagt, afvejningen er især stor.

Et team af forskere ved Columbia Engineering, ledet af professor i elektroteknik Ken Shepard, sammen med kolleger ved University of Pennsylvania, har fundet ud af en måde at måle nanoporer på - små huller i en tynd membran, der kan detektere enkelte biologiske molekyler som DNA og proteiner - med mindre fejl, end der kan opnås med kommercielle instrumenter. De har miniaturiseret målingen ved at designe et tilpasset integreret kredsløb ved hjælp af kommerciel halvlederteknologi, opbygning af nanopore -måling omkring den nye forstærkerchip. Deres forskning vil blive offentliggjort i Advance Online Publication den Naturmetoder 's websted den 18. marts.

Nanoporer er spændende forskere, fordi de kan føre til ekstremt billige og hurtige DNA-sekventeringer. Men signalerne fra nanoporer er meget svage, så det er kritisk vigtigt at måle dem så rent som muligt.

"Vi lagde en lille forstærkerchip direkte ind i væskekammeret ved siden af ​​nanoporen, og signalerne er så rene, at vi kan se enkelte molekyler passere gennem poren på kun et mikrosekund, "siger Jacob Rosenstein, en ph.d. kandidat i elektroteknik ved Columbia Engineering og hovedforfatter af papiret. "Tidligere har forskere kunne kun se molekyler, der bliver i poren i mere end 10 mikrosekunder. "

Mange enkeltmolekylære målinger foretages i øjeblikket ved hjælp af optiske teknikker, som bruger fluorescerende molekyler, der udsender fotoner ved en bestemt bølgelængde. Men, mens fluorescens er meget kraftfuld, dens største begrænsning er, at hvert molekyle normalt kun producerer et par tusinde fotoner i sekundet. "Det betyder, at du ikke kan se noget, der sker hurtigere end et par millisekunder, fordi ethvert billede, du kunne tage, ville være for svagt, "forklarer Shepard, hvem er Rosensteins rådgiver. "På den anden side, hvis du kan bruge teknikker til måling af elektroner eller ioner, du kan få milliarder af signaler i sekundet. Problemet er, at der for elektroniske målinger ikke er noget, der svarer til et fluorescerende bølgelængdefilter, så selvom signalet kommer igennem, det er ofte begravet i baggrundsstøj. "

Shepards gruppe har i flere år været interesseret i enkeltmolekylære målinger og kigget på en række nye transduktionsplatforme. De begyndte at arbejde med nanopore sensorer efter Marija Drndic, professor i fysik ved University of Pennsylvania, holdt et seminar på Columbia Engineering i 2009. "Vi så, at næsten alle andre måler nanoporer ved hjælp af klassiske elektrofysiologiske forstærkere, som for det meste er optimeret til langsommere målinger, "bemærker Shepard." Så vi designede vores eget integrerede kredsløb i stedet. "

Rosenstein designede den nye elektronik og lavede meget af laboratoriearbejdet. Drndics gruppe ved University of Pennsylvania fremstillede de nanoporer, som holdet derefter målte i deres nye system.

"Mens de fleste grupper forsøger at bremse DNA, vores tilgang er at bygge hurtigere elektronik, "siger Drndic." Vi kombinerede den mest følsomme elektronik med de mest følsomme solid-state nanoporer. "

"Det er meget spændende at kunne foretage rent elektroniske målinger af enkeltmolekyler, "siger Rosenstein." Opsætningen til nanopore -målinger er meget enkel og bærbar. Det kræver ikke et kompliceret mikroskop eller højdrevne instrumenter; det kræver bare opmærksomhed på detaljer. Du kan let forestille dig, at nanopore -teknologi har en stor indvirkning på DNA -sekventering og andre medicinske anvendelser inden for de næste par år. "

Shepards gruppe fortsætter med at forbedre disse teknikker. "Med et næste generations design, " han siger, "vi kan muligvis få en yderligere 10X forbedring, og måle ting, der kun varer 100 nanosekunder. Vores laboratorium arbejder også med andre elektroniske enkeltmolekyle teknikker baseret på carbon nanorørstransistorer, som kan udnytte lignende elektroniske kredsløb. Det er en spændende tid! "