(Phys.org)—Ken Shepard, un professore di ingegneria elettrica, crede che non ci sia nessun altro posto al mondo dove potrebbe fare quello che fa. "Immagina una convergenza di tecnologia dei semiconduttori e biotecnologia. Non c'è azienda là fuori che abbia esperienza in entrambe, " dice. "Ci vuole un'università per capire come mettere insieme questi due pezzi e creare nuove tecnologie da questa sinergia".

In particolare, la sua ricerca si concentra sulla ricerca di nuove applicazioni per i circuiti integrati, o patatine. La ricerca sui semiconduttori ha lui dice, "concentrato sull'utilizzo di circuiti integrati per la costruzione di computer e dispositivi di comunicazione come telefoni cellulari, ma quello che non abbiamo davvero esplorato è come possiamo usarli per la biotecnologia".

Pastore, che prima di entrare in Columbia nel 1997 ha lavorato per IBM progettando microprocessori, utilizza l'elettronica per interfacciarsi con i sistemi biologici, dalle singole molecole alle cellule. Le interfacce più comuni ai sistemi viventi utilizzano la luce come intermediario, affidandosi a microscopi per osservare molecole specializzate che emettono fluorescenza in presenza di luce e fungono da etichette.

"Puoi vederlo, ma riesci a malapena a vederlo, " Shepard dice di usare un microscopio. "Devi raccogliere dati per un periodo di tempo molto lungo per ottenere un segnale, che limita quello che puoi fare."

Anziché, Shepard e il suo team si interfacciano direttamente con i sistemi biomolecolari e biologici utilizzando una serie di oggetti su scala nanometrica. Ciò include l'interfacciamento di elettrodi su nanoscala, nanopori (fori su scala nanometrica in una membrana allo stato solido) e transistor a nanotubi di carbonio a circuiti integrati in silicio. "A livello delle singole molecole, " lui dice, "il risultato sono livelli di segnale che possono essere più di un milione di volte superiori rispetto all'utilizzo di tecniche ottiche".

In un esperimento, Shepard e la sua squadra, in collaborazione con il Professor Colin Nuckolls e il Professore Associato Ruben L. Gonzalez Jr. in chimica, prendi un tubicino di carbonio, o nanotubo, e rompere uno dei suoi legami di carbonio. Una singola molecola è attaccata al sito del legame rotto. Quando questa molecola "sonda" interagisce con un "bersaglio, " i ricercatori possono tracciare e misurare questa interazione attraverso i cambiamenti nella conduzione elettrica dei nanotubi. In questo modo, gli scienziati possono studiare una vasta gamma di fenomeni biologici, come il modo in cui il DNA a doppio filamento si scioglie e si ibrida così come le interazioni proteiche e i cambiamenti strutturali.

Nel lavoro di Shepard con i nanopori, che sono così piccoli che puoi far passare una singola molecola di DNA attraverso di essi, usa un circuito integrato personalizzato per amplificare i cambiamenti nei segnali elettrici causati dalla molecola che si muove attraverso il nanoporo. "Ci consente di migliorare la fedeltà del segnale e di rilevare meglio gli eventi di traslocazione attraverso i pori, " lui dice.

Tale prospettiva apre un mondo completamente nuovo di possibilità nella miniaturizzazione e nel miglioramento delle prestazioni di molte tecniche diagnostiche molecolari. Gli attuali metodi di sequenziamento del DNA si basano sul sequenziamento di milioni di eventi contemporaneamente per generare un segnale sufficientemente grande e determinare la sequenza sottostante. Tirare un singolo filamento di DNA attraverso un nanoporo consente ai ricercatori di rilevare potenzialmente coppie di basi da una sola molecola.

Altre applicazioni per queste tecnologie includono test genomici economici e veloci per agenti infettivi. Lavorando con il professor Ian Lipkin, direttore del Centro per l'infezione e l'immunità presso la Mailman School of Public Health, Shepard e il suo team stanno collaborando alla creazione di analisi del DNA che consentirebbero ai funzionari della sanità pubblica di lavorare con una singola molecola e un dispositivo su scala nanometrica per eseguire analisi e ottenere l'identificazione istantanea degli agenti infettivi. Shepard dice, "Potresti fare un esame del sangue molto semplice e usare un dispositivo molto semplice, collegalo a un computer portatile e scopri da quali agenti patogeni sei stato infettato."

Shepard paragona il salto che il suo team sta tentando di fare nello studio delle molecole come simile al passaggio dai computer mainframe ai piccoli dispositivi informatici in uso oggi. "L'idea è quella di utilizzare la tecnologia dei circuiti integrati per ridurre queste macchine costose molto grandi a strumenti economici molto piccoli che possono essere utilizzati su una scala molto più personale".