Un team interdisciplinare della Columbia University che comprende ingegneri elettrici della Columbia's Engineering School, insieme a ricercatori dei dipartimenti di Fisica e Chimica dell'Università, ha trovato un modo per studiare le interazioni di singole molecole su scale temporali molto brevi utilizzando transistor su nanoscala. In un articolo che sarà pubblicato online il 23 gennaio in Nanotecnologia della natura , mostrano come, per la prima volta, i transistor possono essere utilizzati per rilevare il legame delle due metà della doppia elica del DNA con il DNA legato al sensore del transistor. I transistor rilevano e amplificano direttamente la carica di queste singole biomolecole.
Prima di questo lavoro, gli scienziati hanno ampiamente utilizzato tecniche di fluorescenza per esaminare le interazioni a livello di singole molecole. Questi studi hanno fornito una comprensione fondamentale della piegatura, assemblea, dinamica, e funzione delle proteine e di altri macchinari cellulari. Ma queste tecniche richiedono che le molecole bersaglio studiate siano etichettate con molecole reporter fluorescenti, e le larghezze di banda per il rilevamento sono limitate dal tempo necessario per raccogliere il numero molto ridotto di fotoni emessi da questi reporter.
I ricercatori della Colombia, tra cui il professore di ingegneria elettrica Ken Shepard, Professore di Chimica Colin Nuckolls, e studenti laureati Sebastian Sorgenfrei e Chien-Yang Chiu, capito che i transistor, come quelli utilizzati nei moderni circuiti integrati, hanno raggiunto le stesse dimensioni su scala nanometrica delle singole molecole. "Quindi questo ha sollevato la domanda interessante, " disse Sorgenfrei, l'autore principale dello studio, "se questi piccolissimi transistor potrebbero essere usati per studiare singole molecole".
Hanno scoperto che la risposta è "sì". I transistor impiegati in questo studio sono realizzati con nanotubi di carbonio, che sono tubi cilindrici fatti interamente di atomi di carbonio. Sebbene questi siano ancora dispositivi emergenti per applicazioni elettroniche, sono squisitamente sensibili perché la biomolecola può essere direttamente legata alla parete del nanotubo di carbonio creando una sensibilità sufficiente per rilevare una singola molecola di DNA.
Il team della Columbia si aspetta che questa nuova tecnica sia un potente strumento per esaminare le interazioni di singole molecole e sta esaminando applicazioni strumentali che attualmente si basano quasi esclusivamente sulla fluorescenza come i test proteici e il sequenziamento del DNA. Hanno anche in programma di studiare le interazioni su scale temporali di diversi ordini di grandezza maggiori delle attuali tecniche basate sulla fluorescenza.
"L'area della ricerca sulle singole molecole è importante e spinge oltre i nostri sistemi di rilevamento, " ha commentato Ken Shepard, Professore di Ingegneria Elettrica alla Columbia Engineering. "C'è un enorme potenziale per la moderna nanoelettronica per svolgere un ruolo importante in questo campo. Il nostro lavoro, che è stata una formidabile collaborazione tra gruppi di Ingegneria Elettrica, Chimica, e fisica, è un ottimo esempio di come la nanoelettronica e la biotecnologia possono essere combinate per produrre nuovi, risultati entusiasmanti».
Shepard spera che questa ricerca, finanziato principalmente dalla National Science Foundation e dal National Institutes of Health, porterà a nuove entusiasmanti applicazioni per circuiti elettronici su scala nanometrica.
