(Phys.org)—Ken Shepard, professor i elektroteknik, tror att det inte finns någon annanstans i världen där han skulle kunna göra det han gör. "Föreställ dig en konvergens av halvledarteknologi och bioteknik. Det finns inget företag där ute som har expertis inom båda, " säger han. "Det krävs ett universitet för att ta reda på hur man sätter ihop dessa två delar och skapar ny teknik från denna synergi."

Särskilt, hans forskning fokuserar på att hitta nya tillämpningar för integrerade kretsar, eller chips. Halvledarforskning har, han säger, "fokuserade på att använda integrerade kretsar för att bygga datorer och kommunikationsenheter som mobiltelefoner, men vad vi egentligen inte har utforskat är hur vi kan använda dem för bioteknik."

Shepard, som innan han började på Columbia 1997 arbetade för IBM och designade mikroprocessorer, använder elektronik för att samverka med biologiska system, från enstaka molekyler till celler. De vanligaste gränssnitten till levande system använder ljus som mellanhand, förlitar sig på mikroskop för att observera specialiserade molekyler som fluorescerar i närvaro av ljus och fungerar som etiketter.

"Du kan se det, men du kan knappt se det, " Shepard säger om att använda ett mikroskop. "Du måste samla in data under en mycket lång tid för att få en signal, vilket begränsar vad du kan göra."

Istället, Shepard och hans team har direkt kontakt med biomolekylära och biologiska system med hjälp av ett antal objekt i nanoskala. Detta inkluderar gränssnittselektroder i nanoskala, nanoporer (hål i nanoskala i ett solid state-membran) och kolnanorörstransistorer till integrerade kretsar av kisel. "På nivån av enskilda molekyler, " han säger, "Resultatet är signalnivåer som kan vara mer än en miljon gånger högre än att använda optiska tekniker."

I ett experiment, Shepard och hans team, i samarbete med professor Colin Nuckolls och docent Ruben L. Gonzalez Jr. i kemi, ta ett litet rör med kol, eller nanorör, och bryta en av dess kolbindningar. En enda molekyl är fäst vid platsen för den brutna bindningen. När denna "sond"-molekyl interagerar med ett "mål, " forskare kan spåra och mäta denna interaktion genom förändringar i nanorörens elektriska ledning. På detta sätt, forskarna kan studera ett brett spektrum av biologiska fenomen, såsom sättet på vilket dubbelsträngat DNA smälter och hybridiserar samt proteininteraktioner och strukturella förändringar.

I Shepards arbete med nanoporer, som är så små att du kan trä en enda DNA-molekyl genom dem, han använder en anpassad integrerad krets för att förstärka förändringarna i de elektriska signalerna som orsakas av att molekylen rör sig genom nanoporen. "Det tillåter oss att förbättra signaltroheten och bättre känna av translokationshändelser genom porerna, " han säger.

En sådan möjlighet öppnar upp en helt ny värld av möjligheter för att miniatyrisera och förbättra prestandan hos många molekylära diagnostiska tekniker. Nuvarande DNA-sekvenseringsmetoder förlitar sig på att sekvensera miljontals händelser samtidigt för att generera en tillräckligt stor signal och bestämma den underliggande sekvensen. Att dra en enda DNA-sträng genom en nanopore tillåter forskare att potentiellt upptäcka baspar från bara en enda molekyl.

Andra tillämpningar för dessa teknologier inkluderar billiga och snabba genomiska tester för smittämnen. Arbetar med professor Ian Lipkin, chef för Center for Infection and Immunity vid Mailman School of Public Health, Shepard och hans team samarbetar för att skapa DNA-analyser som skulle göra det möjligt för folkhälsotjänstemän att arbeta med en enda molekyl och en enhet i nanoskala för att utföra analys och erhålla omedelbar identifiering av smittämnen. Shepard säger, "Du kan göra ett mycket enkelt blodprov och använda en mycket enkel enhet, koppla in den till en bärbar dator och ta reda på vilka patogener du var infekterad med."

Shepard jämför det språng som hans team försöker göra när det gäller att studera molekyler som liknar övergången från stordatorer till de små datorenheter som används idag. "Tanken är att använda integrerad kretsteknik för att få dessa mycket stora dyra maskiner ner till mycket små billiga instrument som kan användas i en mycket mer personlig skala."