Man mano che la nanotecnologia diventa sempre più onnipresente, i ricercatori lo stanno usando per ridurre la diagnostica medica, Più veloce, e più economico, per diagnosticare meglio le malattie, saperne di più sui tratti ereditari, e altro ancora. Ma man mano che i sensori diventano più piccoli, misurarli diventa più difficile:c'è sempre un compromesso tra il tempo necessario per effettuare una misurazione e la sua precisione. E quando un segnale è molto debole, il compromesso è particolarmente grande.

Un team di ricercatori della Columbia Engineering, guidato dal professore di ingegneria elettrica Ken Shepard, insieme ai colleghi dell'Università della Pennsylvania, ha escogitato un modo per misurare i nanopori, piccoli fori in una membrana sottile in grado di rilevare singole molecole biologiche come DNA e proteine, con meno errori di quelli ottenibili con strumenti commerciali. Hanno miniaturizzato la misurazione progettando un circuito integrato personalizzato utilizzando la tecnologia dei semiconduttori commerciali, costruire la misurazione dei nanopori attorno al nuovo chip amplificatore. La loro ricerca sarà pubblicata nell'Advance Online Publication su Metodi della natura sito web il 18 marzo.

I nanopori sono scienziati entusiasmanti perché possono portare a un sequenziamento del DNA estremamente economico e veloce. Ma i segnali dei nanopori sono molto deboli, quindi è di fondamentale importanza misurarli nel modo più pulito possibile.

"Abbiamo messo un minuscolo chip amplificatore direttamente nella camera del liquido vicino al nanoporo, e i segnali sono così puliti che possiamo vedere singole molecole che passano attraverso il poro in un solo microsecondo, "dice Jacob Rosenstein, un dottorato di ricerca candidato in ingegneria elettrica presso la Columbia Engineering e autore principale dell'articolo. "In precedenza, gli scienziati hanno potuto vedere solo le molecole che rimangono nel poro per più di 10 microsecondi".

Molte misurazioni di singole molecole sono attualmente effettuate utilizzando tecniche ottiche, che utilizzano molecole fluorescenti che emettono fotoni a una particolare lunghezza d'onda. Ma, mentre la fluorescenza è molto potente, il suo principale limite è che ogni molecola di solito produce solo poche migliaia di fotoni al secondo. "Questo significa che non puoi vedere nulla che accade più velocemente di pochi millisecondi, perché qualsiasi immagine che potresti scattare sarebbe troppo debole, " spiega Shepard, chi è il consigliere di Rosenstein. "D'altra parte, se puoi usare tecniche che misurano elettroni o ioni, puoi ricevere miliardi di segnali al secondo. Il problema è che per le misurazioni elettroniche non esiste l'equivalente di un filtro a lunghezza d'onda fluorescente, quindi anche se il segnale arriva, spesso è sepolto dal rumore di fondo."

Il gruppo di Shepard è stato interessato alle misurazioni di singole molecole per diversi anni, esaminando una varietà di nuove piattaforme di trasduzione. Hanno iniziato a lavorare con i sensori nanopori dopo Marija Drndic, professore di fisica all'Università della Pennsylvania, ha tenuto un seminario alla Columbia Engineering nel 2009. "Abbiamo visto che quasi tutti gli altri misurano i nanopori utilizzando amplificatori di elettrofisiologia classici, che sono per lo più ottimizzati per misurazioni più lente, " nota Shepard. "Così abbiamo invece progettato il nostro circuito integrato."

Rosenstein ha progettato la nuova elettronica e ha svolto gran parte del lavoro di laboratorio. Il gruppo di Drndic presso l'Università della Pennsylvania ha fabbricato i nanopori che il team ha poi misurato nel loro nuovo sistema.

"Mentre la maggior parte dei gruppi sta cercando di rallentare il DNA, il nostro approccio è quello di costruire un'elettronica più veloce, " dice Drndic. "Abbiamo combinato l'elettronica più sensibile con i nanopori a stato solido più sensibili".

"È molto eccitante essere in grado di effettuare misurazioni puramente elettroniche di singole molecole, " dice Rosenstein. "La configurazione per le misurazioni dei nanopori è molto semplice e portatile. Non richiede un microscopio complicato o strumenti ad alta potenza; richiede solo attenzione ai dettagli. Si può facilmente immaginare che la tecnologia dei nanopori avrà un impatto importante sul sequenziamento del DNA e su altre applicazioni mediche nei prossimi anni".

Il gruppo di Shepard sta continuando a migliorare queste tecniche. "Con un design di nuova generazione, " lui dice, "potremmo essere in grado di ottenere un ulteriore miglioramento di 10 volte, e misurare cose che durano solo 100 nanosecondi. Il nostro laboratorio sta anche lavorando con altre tecniche elettroniche a singola molecola basate su transistor a nanotubi di carbonio, che può sfruttare circuiti elettronici simili. Questo è un momento emozionante!"