Illustrazione del dottorando Greg Madejski degli strati che compongono il suo nuovo dispositivo di rilevamento del DNA. Credito:illustrazione dell'Università di Rochester / Greg Madejski
Greg Madejski trattenne il respiro mentre guardava nel microscopio, cercando di saldare insieme due chip delle dimensioni di un'unghia:un minuscolo chip contenente un nanofiltro sopra un altro chip con un sensore di DNA.
Era un lavoro frustrante. I chip non stavano facendo un buon contatto l'uno con l'altro. Madejski infilò delicatamente le patatine, poi sbirciò sopra la parte superiore del microscopio.
Ed espirata.
L'improvviso soffio di aria calda ha spazzato il nanofiltro, trasferendolo al sensore -a destra sul bersaglio. L'"incidente" ha portato Madejski a un'importante intuizione:il vapore acqueo nel suo respiro si era condensato sul dispositivo, facendo in modo che il nanofiltro aderisca perfettamente al sensore.
"Era come un tatuaggio temporaneo davvero high-tech che ho creato per caso; lecca e attacca!" dice il dottorando nel laboratorio di James McGrath, un professore di ingegneria biomedica presso l'Università di Rochester.
Ed è così che il vapore acqueo è diventato parte integrante dello sviluppo e della progettazione di un nuovo dispositivo per rilevare i biomarcatori del DNA associati alla malattia. Creato dal laboratorio di McGrath in collaborazione con il professor Vincent Tabard-Cossa e lo studente laureato Kyle Briggs presso l'Università di Ottawa, il dispositivo è descritto in un articolo pubblicato online su Nano Letters. L'articolo, e un'immagine dall'animazione fatta in casa di Madejski del dispositivo in funzione, sarà evidenziato sulla copertina del numero cartaceo di febbraio 2018.
'Una struttura notevole'
Il dispositivo è composto da tre strati ultrasottili:
La disposizione crea una nanocavità riempita con meno di un femtolitro di fluido, o circa un milione di volte più piccola delle più piccole gocce di pioggia.
Durante l'operazione, il dispositivo utilizza un campo elettrico per attirare un filamento di DNA per entrare in uno dei pori del prefiltro e quindi passare attraverso la nanocavità per raggiungere il poro della membrana del sensore sottostante. Ciò innesca cambiamenti nella corrente elettrica del dispositivo che possono essere rilevati e analizzati. Il fatto che il DNA debba allungarsi in modo coerente per passare attraverso la combinazione delle due membrane migliora la precisione e la riproducibilità del rilevamento.
"Questa è una struttura notevole, " dice McGrath. "Abbiamo costruito un sistema integrato con un filtro altamente poroso alla portata molecolare di un sensore. Penso che ci siano molti sensori, in particolare quelli che cacciano biomarcatori nei fluidi biologici grezzi, ciò trarrebbe vantaggio dal filtrare le molecole indesiderate immediatamente a monte del rivelatore."
Questa animazione mostra, come spiega lo studente laureato Greg Madejski, le “sottili pellicole d'acqua, visti come i colori dell'arcobaleno, gonfiando e restringendo lo spazio tra il prefiltro e il nanoporo quando è esposto a ulteriore vapore acqueo.”. Credito:Università di Rochester
Il metodo di fabbricazione bagna istantaneamente la nanocavità, che è spesso difficile su scala nanometrica. Il dispositivo contiene dozzine di queste nanocavità, che può eventualmente aumentare la quantità di materiale che può essere vagliato consentendo il rilevamento parallelo di biomarcatori.
Risolvere problemi di cui gli altri hanno bisogno
Il laboratorio di Tabard-Cossa utilizza dispositivi nanopori allo stato solido per trovare nuovi modi per manipolare e caratterizzare singole molecole. Il suo laboratorio era interessato a trovare nuovi materiali che potessero essere utilizzati per il rilevamento di biomarcatori. Il prefiltro nel nuovo dispositivo risolve un problema con altri rilevatori di nanopori di silicio:hanno maggiori probabilità di intasarsi rispetto a dispositivi alternativi che utilizzano quei pori biologici per il rilevamento. membrane biologiche, d'altra parte, sono meno stabili dei nanopori allo stato solido, ha notato McGrath.
"Amiamo applicare le nostre tecnologie a membrana per risolvere problemi che altri hanno bisogno di risolvere. Questo è un ottimo esempio., "dice McGrath.
McGrath è co-fondatore di SiMPore, una startup universitaria che sviluppa soluzioni altamente portabili, dispositivi basati su chip che incorporano membrane di silicio per una varietà di applicazioni, dal rilevamento biologico alla dialisi.
"Penso che realizzeremo i vantaggi pratici di questa tecnologia nel breve termine, " dice. Una seconda generazione del nuovo dispositivo, sviluppato a SiMPore, incorpora il prefiltro direttamente sui chip durante la produzione su scala wafer, "quindi non c'è più nessuno che ci respiri sopra, " fa notare. "In realtà è tutto costruito come un'unica unità e dovrebbe rendere molto facili gli studi futuri. Questo è un merito per l'ingegnosità di SiMPore e un bel lascito per Greg."
