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È stato sviluppato il primo chip di elettronica molecolare, realizzando un obiettivo di 50 anni di integrazione di singole molecole nei circuiti per raggiungere i limiti di scalabilità definitivi della legge di Moore. Sviluppato da Roswell Biotechnologies e da un team multidisciplinare di eminenti scienziati accademici, il chip utilizza singole molecole come elementi sensori universali in un circuito per creare un biosensore programmabile con sensibilità in tempo reale a singola molecola e scalabilità illimitata nella densità dei pixel del sensore. Questa innovazione, che appare questa settimana in un articolo sottoposto a revisione paritaria negli Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) , alimenterà i progressi in diversi campi che sono fondamentalmente basati sull'osservazione delle interazioni molecolari, tra cui la scoperta di farmaci, la diagnostica, il sequenziamento del DNA e la proteomica.
"La biologia funziona con singole molecole che parlano tra loro, ma i nostri metodi di misurazione esistenti non possono rilevarlo", ha affermato il coautore Jim Tour, Ph.D., professore di chimica della Rice University e pioniere nel campo dell'elettronica molecolare. "I sensori mostrati in questo documento per la prima volta ci consentono di ascoltare queste comunicazioni molecolari, consentendo una nuova e potente visione delle informazioni biologiche".
La piattaforma di elettronica molecolare è costituita da un chip semiconduttore programmabile con un'architettura scalabile di array di sensori. Ogni elemento dell'array è costituito da un misuratore di corrente elettrica che monitora la corrente che scorre attraverso un filo molecolare progettato con precisione, assemblato per coprire i nanoelettrodi che lo accoppiano direttamente nel circuito. Il sensore viene programmato collegando la molecola della sonda desiderata al filo molecolare, tramite un sito di coniugazione centrale e ingegnerizzato. La corrente osservata fornisce una lettura elettronica diretta e in tempo reale delle interazioni molecolari della sonda. Queste misurazioni corrente-tempo su scala picoamp vengono lette dall'array di sensori in forma digitale, a una velocità di 1000 fotogrammi al secondo, per acquisire dati sulle interazioni molecolari con alta risoluzione, precisione e throughput.
"L'obiettivo di questo lavoro è quello di porre il biosensing su una base tecnologica ideale per il futuro della medicina di precisione e del benessere personale", ha aggiunto il co-fondatore e Chief Scientific Officer di Roswell Barry Merriman, Ph.D., autore senior del documento. "Ciò richiede non solo di inserire il biosensing su chip, ma nel modo giusto, con il giusto tipo di sensore. Abbiamo pre-ridotto l'elemento sensore a livello molecolare per creare una piattaforma di biosensori che combini un tipo completamente nuovo di real- tempo, misurazione di una singola molecola con una roadmap di scalabilità illimitata a lungo termine per test e strumenti più piccoli, veloci ed economici."
La nuova piattaforma di elettronica molecolare rileva le interazioni molecolari multiomiche su scala di singola molecola, in tempo reale. Il PNAS l'articolo presenta un'ampia gamma di molecole sonda, tra cui DNA, aptameri, anticorpi e antigeni, nonché l'attività di enzimi rilevanti per la diagnostica e il sequenziamento, incluso un enzima CRISPR Cas che lega il suo DNA bersaglio. Illustra un'ampia gamma di applicazioni per tali sonde, tra cui il potenziale per il test rapido del COVID, la scoperta di farmaci e la proteomica.
L'articolo presenta anche un sensore di elettronica molecolare in grado di leggere la sequenza del DNA. In questo sensore, una DNA polimerasi, l'enzima che copia il DNA, è integrata nel circuito e il risultato è l'osservazione elettrica diretta dell'azione di questo enzima mentre copia un pezzo di DNA, lettera per lettera. A differenza di altre tecnologie di sequenziamento che si basano su misure indirette dell'attività della polimerasi, questo approccio consente l'osservazione diretta e in tempo reale di un enzima della DNA polimerasi che incorpora nucleotidi. Il documento illustra come questi segnali di attività possono essere analizzati con algoritmi di apprendimento automatico per consentire la lettura della sequenza.
"Il sensore di sequenziamento Roswell fornisce una nuova visione diretta dell'attività della polimerasi, con il potenziale per far avanzare la tecnologia di sequenziamento di ulteriori ordini di grandezza in termini di velocità e costi", ha affermato il professor George Church, coautore dell'articolo, membro del National Academy of Sciences e membro del Roswell Scientific Advisory Board. "Questo chip ultra scalabile apre la possibilità per il sequenziamento altamente distribuito per la salute personale o il monitoraggio ambientale e per future applicazioni ad altissima velocità come l'archiviazione dei dati del DNA su scala Exabyte". + Esplora ulteriormente
