Разработан первый чип для молекулярной электроники
Впервые был разработан первый чип молекулярной электроники, реализующий 50-летнюю цель интеграции отдельных молекул в схемы для достижения пределов масштабирования закона Мура.
Разработанный Roswell Biotechnologies и междисциплинарной командой ведущих академических ученых, чип использует отдельные молекулы в качестве универсальных сенсорных элементов в схеме для создания программируемого биосенсора с чувствительностью к одной молекуле в режиме реального времени и неограниченной масштабируемостью по плотности пикселей сенсора.
Это новшество, описание которого появивилось на этой неделе в рецензируемой статье в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), будет способствовать прогрессу в различных областях, которые в основном основаны на наблюдении за молекулярными взаимодействиями, включая открытие лекарств, диагностику, секвенирование ДНК и протеомика.
«Биология работает, когда отдельные молекулы разговаривают друг с другом, но наши существующие методы измерения не могут этого обнаружить», — сказал соавтор Джим Тур, профессор химии Университета Райса и пионер в области молекулярной электроники. «Сенсоры, продемонстрированные нами, впервые позволяют прослушивать эти молекулярные коммуникации, позволяя по-новому взглянуть на биологическую информацию».
Платформа молекулярной электроники состоит из программируемого полупроводникового чипа с масштабируемой архитектурой массива датчиков. Каждый элемент массива состоит из измерителя электрического тока, который отслеживает ток, протекающий по точно спроектированной молекулярной проволоке, соединенной с наноэлектродами, которые соединяют ее непосредственно с цепью.
Сенсор программируется путем прикрепления нужной молекулы зонда к молекулярной проволоке через центральный сконструированный блок конъюгации. Наблюдаемый ток обеспечивает прямое электронное считывание молекулярных взаимодействий зонда в режиме реального времени. Эти измерения зависимости тока от времени в пикоамперном масштабе считываются с массива датчиков в цифровой форме со скоростью 1000 раз в секунду для сбора данных о молекулярных взаимодействиях с высоким разрешением, точностью и пропускной способностью.
«Цель этой работы — положить биозондирование на идеальную технологическую основу для будущего точной медицины и личного здоровья», — говорят ученые.
«Для этого требуется не только разместить биосенсоры на чипе, но и правильно, с нужным датчиком. Мы предварительно уменьшили сенсорный элемент до молекулярного уровня, чтобы создать биосенсорную платформу, которая сочетает в себе совершенно новый тип измерения одной молекулы в реальном времени с долгосрочной дорожной картой неограниченного масштабирования для небольших, быстрых и дешевых тестов и инструментов».
Новая платформа молекулярной электроники обнаруживает мультиомные молекулярные взаимодействия в масштабе одной молекулы в режиме реального времени.
В документе PNAS представлен широкий спектр молекул-зондов, включая ДНК, аптамеры, антитела и антигены, а также активность ферментов, имеющих отношение к диагностике и секвенированию, включая фермент CRISPR Cas, связывающий ДНК-мишень. Он иллюстрирует широкий спектр применений таких зондов, включая потенциал для быстрого тестирования COVID, открытия лекарств и протеомики.
В статье также представлен датчик молекулярной электроники, способный считывать последовательность ДНК. В этом датчике ДНК-полимераза, фермент, который копирует ДНК, интегрирована в цепь, и в результате получается прямое электрическое наблюдение за действием этого фермента, когда он копирует фрагмент ДНК буква за буквой.
В отличие от других технологий секвенирования, основанных на косвенных измерениях полимеразной активности, этот подход обеспечивает прямое наблюдение в режиме реального времени за ДНК-полимеразным ферментом, включающим нуклеотиды. В документе показано, как эти сигналы активности можно анализировать с помощью алгоритмов машинного обучения, чтобы можно было прочитать последовательность.