Ett tvärvetenskapligt team från Columbia University som inkluderar elektroingenjörer från Columbia's Engineering School, tillsammans med forskare från universitetets institutioner för fysik och kemi, har hittat ut ett sätt att studera singelmolekylers interaktioner på mycket korta tidsskalor med hjälp av transistorer i nanoskala. I en tidning som kommer att publiceras online den 23 januari Naturens nanoteknik , de visar hur, för första gången, transistorer kan användas för att detektera bindningen av de två halvorna av DNA-dubbelhelixen med DNA:t kopplat till transistorsensorn. Transistorerna detekterar och förstärker direkt laddningen av dessa enskilda biomolekyler.
Innan detta arbete, forskare har till stor del använt fluorescenstekniker för att titta på interaktioner på nivån av enskilda molekyler. Dessa studier har gett grundläggande förståelse för vikning, hopsättning, dynamik, och funktion hos proteiner och andra cellulära maskineri. Men dessa tekniker kräver att målmolekylerna som studeras märks med fluorescerande reportermolekyler, och bandbredderna för detektering begränsas av den tid som krävs för att samla in det mycket lilla antalet fotoner som emitteras av dessa reportrar.
Columbia-forskarna, inklusive professor i elektroteknik Ken Shepard, Professor i kemi Colin Nuckolls, och doktorander Sebastian Sorgenfrei och Chien-Yang Chiu, insåg att transistorer, som de som används i moderna integrerade kretsar, har nått samma nanoskaladimensioner som enskilda molekyler. "Så detta väckte den intressanta frågan, sade Sorgenfrei, huvudförfattaren till studien, "om dessa mycket små transistorer skulle kunna användas för att studera enskilda molekyler."
De har upptäckt att svaret är "ja". Transistorerna som används i denna studie är gjorda av kolnanorör, som är cylindriska rör gjorda helt av kolatomer. Även om dessa fortfarande är framväxande enheter för elektroniktillämpningar, de är utsökt känsliga eftersom biomolekylen kan kopplas direkt till kolnanorörsväggen vilket skapar tillräckligt med känslighet för att upptäcka en enda DNA-molekyl.
Columbia-teamet förväntar sig att denna nya teknik kommer att vara ett kraftfullt verktyg för att titta på enstaka molekylinteraktioner och tittar på instrumenteringsapplikationer som för närvarande nästan uteslutande förlitar sig på fluorescens som proteinanalyser och DNA-sekvensering. De planerar också att studera interaktioner vid tidskala flera storleksordningar större än nuvarande tekniker baserade på fluorescens.
"Området för singelmolekylforskning är ett viktigt och pressar höljet på våra avkänningssystem, " kommenterade Ken Shepard, Professor i elektroteknik vid Columbia Engineering. "Det finns en enorm potential för modern nanoelektronik att spela en viktig roll på detta område. Vårt arbete, som har varit ett fantastiskt samarbete mellan grupper från elektroteknik, Kemi, och fysik, är ett bra exempel på hur nanoelektronik och bioteknik kan kombineras för att producera nya, spännande resultat."
Shepard hoppas att denna forskning, som främst finansierades av National Science Foundation och National Institutes of Health, kommer att leda till spännande nya tillämpningar för elektroniska kretsar i nanoskala.
