Elektroingeniør udvikler nye værktøjer i nanoskala til at hjælpe med opdagelser inden for biovidenskab

(Phys.org) – Ken Shepard, professor i elektroteknik, mener, at der ikke er noget andet sted i verden, hvor han kunne gøre, hvad han gør. "Forestil dig en konvergens mellem halvlederteknologi og bioteknologi. Der er ingen virksomhed derude, der har ekspertise inden for begge, " siger han. "Det kræver et universitet at finde ud af, hvordan man kan sætte de to dele sammen og skabe nye teknologier ud fra denne synergi."

I særdeleshed, hans forskning fokuserer på at finde nye applikationer til integrerede kredsløb, eller chips. Halvlederforskning har, han siger, "fokuseret på at bruge integrerede kredsløb til at bygge computere og kommunikationsenheder som mobiltelefoner, men det, vi ikke rigtig har undersøgt, er, hvordan vi kan bruge dem til bioteknologi."

Shepard, som før han kom til Columbia i 1997 arbejdede for IBM med at designe mikroprocessorer, bruger elektronik til at forbinde til biologiske systemer, fra enkelte molekyler til celler. De mest almindelige grænseflader til levende systemer bruger lys som mellemled, afhængig af mikroskoper for at observere specialiserede molekyler, der fluorescerer i nærvær af lys og tjener som etiketter.

"Du kan se det, men du kan næsten ikke se det, " Shepard siger om at bruge et mikroskop. "Du skal indsamle data i meget lang tid for at få et signal, hvilket begrænser, hvad du kan gøre."

I stedet, Shepard og hans team har direkte grænseflader til biomolekylære og biologiske systemer ved hjælp af en række objekter i nanoskala. Dette inkluderer interfacing nanoskala elektroder, nanoporer (nanoskala huller i en solid state membran) og kulstof nanorør transistorer til silicium integrerede kredsløb. "På niveauet af enkelte molekyler, " han siger, "Resultatet er signalniveauer, der kan være mere end en million gange højere end ved brug af optiske teknikker."

I et eksperiment, Shepard og hans team, i samarbejde med professor Colin Nuckolls og lektor Ruben L. Gonzalez Jr. i kemi, tag et lille rør kulstof, eller nanorør, og bryde en af ​​dens kulstofbindinger. Et enkelt molekyle er knyttet til stedet for den brudte binding. Når dette "probe" molekyle interagerer med et "mål, " forskere kan spore og måle denne interaktion gennem ændringer i nanorørernes elektriske ledning. På denne måde, forskerne kan studere en bred vifte af biologiske fænomener, såsom måden hvorpå dobbeltstrenget DNA smelter og hybridiserer samt proteininteraktioner og strukturelle ændringer.

I Shepards arbejde med nanoporer, som er så små, at du kan føre et enkelt DNA-molekyle gennem dem, han bruger et tilpasset integreret kredsløb til at forstærke ændringerne i de elektriske signaler forårsaget af molekylet, der bevæger sig gennem nanoporen. "Det giver os mulighed for at forbedre signaltroskaben og bedre fornemme translokationshændelser gennem porerne, " han siger.

En sådan udsigt åbner op for en helt ny verden af ​​muligheder for at miniaturisere og forbedre ydeevnen af ​​mange molekylære diagnostiske teknikker. Nuværende DNA-sekventeringsmetoder er afhængige af sekventering af millioner af begivenheder på samme tid for at generere et tilstrækkeligt stort signal og bestemme den underliggende sekvens. At trække en enkelt DNA-streng gennem en nanopore giver forskere mulighed for potentielt at opdage basepar fra kun et enkelt molekyle.

Andre anvendelser for disse teknologier omfatter billige og hurtige genomiske tests for smitsomme agenser. I samarbejde med professor Ian Lipkin, direktør for Center for Infektion og Immunitet ved Mailman School of Public Health, Shepard og hans team samarbejder om at skabe DNA-assays, der vil gøre det muligt for offentlige sundhedsembedsmænd at arbejde med et enkelt molekyle og en nanoskala-enhed for at udføre analyser og opnå øjeblikkelig identifikation af smitsomme stoffer. Shepard siger, "Du kan lave en meget simpel blodprøve og bruge en meget simpel enhed, Sæt den i en bærbar computer og find ud af, hvilke patogener du var inficeret med."

Shepard sammenligner det spring, hans team forsøger at tage med at studere molekyler, som beslægtet med skiftet væk fra mainframe-computere til de små computerenheder, der bruges i dag. "Ideen er at bruge integreret kredsløbsteknologi til at bringe disse meget store dyre maskiner ned til meget små billige instrumenter, der kan bruges i en meget mere personlig skala."