Det första molekylära elektronikchippet har utvecklats och förverkligar ett 50 år gammalt mål att integrera enskilda molekyler i kretsar för att uppnå de ultimata skalningsgränserna för Moores lag. Utvecklat av Roswell Biotechnologies och ett multidisciplinärt team av ledande akademiska forskare, använder chippet enstaka molekyler som universella sensorelement i en krets för att skapa en programmerbar biosensor med en molekylär känslighet i realtid och obegränsad skalbarhet i sensorns pixeltäthet. Denna innovation, som visas denna vecka i en referentgranskad artikel i Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) , kommer att driva framsteg inom olika områden som i grunden är baserade på att observera molekylära interaktioner, inklusive läkemedelsupptäckt, diagnostik, DNA-sekvensering och proteomik.

"Biologi fungerar genom att enskilda molekyler pratar med varandra, men våra befintliga mätmetoder kan inte upptäcka detta", säger medförfattaren Jim Tour, Ph.D., en kemiprofessor vid Rice University och en pionjär inom området molekylär elektronik. "Sensorerna som demonstreras i denna artikel för första gången låter oss lyssna på dessa molekylära kommunikationer, vilket möjliggör en ny och kraftfull syn på biologisk information."

Den molekylära elektronikplattformen består av ett programmerbart halvledarchip med en skalbar sensorarrayarkitektur. Varje arrayelement består av en elektrisk strömmätare som övervakar strömmen som flyter genom en precisionskonstruerad molekylär tråd, monterad för att spänna över nanoelektroder som kopplar den direkt in i kretsen. Sensorn programmeras genom att fästa den önskade sondmolekylen till molekyltråden via ett centralt konjugerat konjugationsställe. Den observerade strömmen ger en direkt elektronisk avläsning i realtid av molekylära interaktioner hos sonden. Dessa mätningar av ström-mot-tid i picoamp-skala läses ut från sensormatrisen i digital form, med en hastighet av 1000 bilder per sekund, för att fånga molekylära interaktionsdata med hög upplösning, precision och genomströmning.

"Målet med detta arbete är att sätta biosensing på en idealisk teknologibas för framtiden för precisionsmedicin och personligt välbefinnande", tillade Roswells medgrundare och Chief Scientific Officer Barry Merriman, Ph.D., senior författare till artikeln. "Detta kräver inte bara biosensing på chip, utan på rätt sätt, med rätt typ av sensor. Vi har förkrympt sensorelementet till molekylär nivå för att skapa en biosensorplattform som kombinerar en helt ny typ av verklig- tid, enmolekylmätning med en långsiktig, obegränsad skalningsfärdplan för mindre, snabbare och billigare tester och instrument."

Den nya molekylära elektronikplattformen upptäcker multiomiska molekylära interaktioner på enmolekylär skala, i realtid. PNAS papper presenterar ett brett utbud av sondmolekyler, inklusive DNA, aptamerer, antikroppar och antigener, såväl som aktiviteten hos enzymer som är relevanta för diagnostik och sekvensering, inklusive ett CRISPR Cas-enzym som binder dess mål-DNA. Den illustrerar ett brett spektrum av tillämpningar för sådana sonder, inklusive potentialen för snabba covid-tester, läkemedelsupptäckt och proteomik.

Tidningen presenterar också en molekylär elektroniksensor som kan läsa DNA-sekvenser. I denna sensor är ett DNA-polymeras, enzymet som kopierar DNA, integrerat i kretsen, och resultatet är en direkt elektrisk observation av detta enzyms verkan när det kopierar en bit DNA, bokstav för bokstav. Till skillnad från andra sekvenseringsteknologier som förlitar sig på indirekta mått på polymerasaktivitet, uppnår detta tillvägagångssätt direkt observation i realtid av ett DNA-polymerasenzym som innehåller nukleotider. Uppsatsen illustrerar hur dessa aktivitetssignaler kan analyseras med maskininlärningsalgoritmer för att möjliggöra läsning av sekvensen.

"Roswells sekvenseringssensor ger en ny, direkt bild av polymerasaktivitet, med potential att främja sekvenseringsteknik med ytterligare storleksordningar i hastighet och kostnad", säger professor George Church, medförfattare till tidningen, medlem av National Vetenskapsakademin och medlem i Roswell Scientific Advisory Board. "Detta ultraskalbara chip öppnar möjligheten för högdistribuerad sekvensering för personlig hälso- eller miljöövervakning, och för framtida tillämpningar med ultrahög genomströmning såsom DNA-datalagring i Exabyte-skala." + Utforska vidare

Utveckling av "cellulärt membran-FET (lipid-FET)" för biosensorns känslighet