Team demonstrerer molekylære elektroniksensorer på en halvlederchip

Den første molekylære elektronik-chip er blevet udviklet og realiserer et 50 år gammelt mål om at integrere enkelte molekyler i kredsløb for at opnå de ultimative skaleringsgrænser for Moores lov. Udviklet af Roswell Biotechnologies og et tværfagligt team af førende akademiske forskere, bruger chippen enkelte molekyler som universelle sensorelementer i et kredsløb til at skabe en programmerbar biosensor med real-time, enkelt-molekyle følsomhed og ubegrænset skalerbarhed i sensor pixeltæthed. Denne nyskabelse vises i denne uge i en peer-reviewet artikel i Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) , vil styrke fremskridt inden for forskellige områder, der grundlæggende er baseret på observation af molekylære interaktioner, herunder lægemiddelopdagelse, diagnostik, DNA-sekventering og proteomik.

"Biologi fungerer ved, at enkelte molekyler taler med hinanden, men vores eksisterende målemetoder kan ikke detektere dette," sagde medforfatter Jim Tour, Ph.D., en Rice University kemiprofessor og en pioner inden for molekylær elektronik. "Sensorerne, der er demonstreret i dette papir for første gang, lader os lytte til disse molekylære kommunikationer, hvilket muliggør et nyt og kraftfuldt syn på biologisk information."

Den molekylære elektronikplatform består af en programmerbar halvlederchip med en skalerbar sensorarray-arkitektur. Hvert array-element består af en elektrisk strømmåler, der overvåger strømmen, der flyder gennem en præcisionskonstrueret molekylær ledning, samlet til at spænde over nanoelektroder, der kobler den direkte ind i kredsløbet. Sensoren programmeres ved at fastgøre det ønskede probemolekyle til molekyltråden via et centralt konjugationssted. Den observerede strøm giver en direkte, real-time elektronisk udlæsning af molekylære interaktioner af sonden. Disse picoamp-skala strøm-versus-tid-målinger udlæses fra sensorarrayet i digital form med en hastighed på 1000 billeder i sekundet for at fange molekylære interaktionsdata med høj opløsning, præcision og gennemløb.

"Målet med dette arbejde er at sætte biosensing på et ideelt teknologigrundlag for fremtiden for præcisionsmedicin og personlig velvære," tilføjede Roswells medstifter og Chief Scientific Officer Barry Merriman, Ph.D., seniorforfatter af papiret. "Dette kræver ikke kun at sætte biosensing på chip, men på den rigtige måde med den rigtige slags sensor. Vi har forkrympet sensorelementet til molekylært niveau for at skabe en biosensorplatform, der kombinerer en helt ny slags reel- tid, enkelt-molekyle måling med en langsigtet, ubegrænset skalering køreplan for mindre, hurtigere og billigere test og instrumenter."

Den nye molekylære elektronikplatform registrerer multiomiske molekylære interaktioner på enkeltmolekyleskala i realtid. PNAS papir præsenterer en bred vifte af probemolekyler, herunder DNA, aptamerer, antistoffer og antigener, såvel som aktiviteten af ​​enzymer, der er relevante for diagnostik og sekventering, herunder et CRISPR Cas-enzym, der binder dets mål-DNA. Det illustrerer en bred vifte af anvendelser for sådanne sonder, herunder potentialet for hurtig COVID-test, lægemiddelopdagelse og proteomik.

Papiret præsenterer også en molekylær elektroniksensor, der er i stand til at aflæse DNA-sekvens. I denne sensor er en DNA-polymerase, enzymet der kopierer DNA, integreret i kredsløbet, og resultatet er direkte elektrisk observation af dette enzyms virkning, mens det kopierer et stykke DNA, bogstav for bogstav. I modsætning til andre sekventeringsteknologier, der er afhængige af indirekte mål for polymeraseaktivitet, opnår denne tilgang direkte observation i realtid af et DNA-polymeraseenzym, der inkorporerer nukleotider. Artiklen illustrerer, hvordan disse aktivitetssignaler kan analyseres med maskinlæringsalgoritmer for at tillade læsning af sekvensen.

"Roswell-sekventeringssensoren giver et nyt, direkte billede af polymeraseaktivitet med potentiale til at fremme sekventeringsteknologi med yderligere størrelsesordener i hastighed og omkostninger," sagde professor George Church, en medforfatter af papiret, medlem af National National Park. Academy of Sciences og medlem af Roswell Scientific Advisory Board. "Denne ultra-skalerbare chip åbner muligheden for meget distribueret sekvensering til personlig helbreds- eller miljøovervågning og for fremtidige applikationer med ultrahøj gennemstrømning, såsom DNA-datalagring i Exabyte-skala." + Udforsk yderligere

Udvikling af 'cellulær membran-FET (lipid-FET)' til følsomhed af biosensor