Kifejlesztették az első molekuláris elektronikai chipet, amellyel megvalósult egy 50 éves cél, az egyes molekulák áramkörökbe való integrálása, hogy elérjék a Moore-törvény végső skálázási határait. Meglepő lehet, de első körben a gyógyítás profitálhat belőle a legtöbbet, azonban a DNS-ban történő adattárolás felé is sikerült hatalmas lépést tenni.
A Roswell Biotechnologies és egy vezető egyetemi tudósokból álló multidiszciplináris csapat hozta létre a chipet, amely egyetlen molekulát használ univerzális szenzorelemként egy áramkörben. Ezzel egy programozható bioszenzort hoz létre, amely valós időben, egyetlen molekulára is érzékenyen és a szenzor pixelsűrűségének korlátlan skálázhatóságával működhet. Az innováció ismertetése a Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) című folyóiratban jelent meg. A cikk szerint a fejlesztés olyan különböző területeken hoz előrelépést, amelyek alapvetően a molekuláris kölcsönhatások megfigyelésén alapulnak, beleértve a gyógyszerkutatást, a diagnosztikát, a DNS-szekvenálást és a proteomikát.
"A biológia úgy működik, hogy egyes molekulák beszélgetnek egymással, de a jelenlegi mérési módszereink ezt nem képesek kimutatni. Az ebben a tanulmányban bemutatott érzékelőkkel most először hallgathatjuk ki ezeket a molekuláris kommunikációkat, ami a biológiai információk új és erőteljes áttekintését teszi lehetővé" - mondta a tanulmány társszerzője, Dr. Jim Tour, a Rice Egyetem vegyészprofesszora, a molekuláris elektronika úttörője a SciTechDaily szerint.
Ha mélyebben belenézünk, hogy mi is történik, akkor a következőt láthatjuk. A molekuláris elektronikai platform egy programozható félvezető chipből áll, amelyhez skálázható érzékelőtömb-architektúra tartozik. Minden egyes tömbelem egy elektromos árammérőből áll, amely egy precíziósan megtervezett molekuláris dróton átfolyó áramot figyel, amelyet közvetlenül az áramkörbe kapcsoló nanoelektródákkal szereltek össze. Az érzékelő programozása úgy történik, hogy a kívánt szondamolekulát egy központi, tervezett ponton a molekuláris huzalhoz csatolják. A megfigyelt áram közvetlen, valós idejű elektronikus leolvasást tesz lehetővé a szonda molekuláris kölcsönhatásairól. Ezeket a pikoamp-skála méretű áram-idő méréseket digitális formában, másodpercenként 1000 képkocka sebességgel olvassák ki az érzékelőtömbből, hogy a molekuláris kölcsönhatásokra vonatkozó adatokat nagy felbontással, pontossággal és átviteli sebességgel rögzítsék.
"E munka célja, hogy a bioérzékelést ideális technológiai alapokra helyezze a precíziós orvoslás és a személyes jóllét jövője érdekében. Ehhez nemcsak az kell, hogy a bioérzékelést chipre helyezzük, hanem az is, hogy a megfelelő módon, a megfelelő típusú érzékelővel dolgozzunk. Az érzékelő elemet molekuláris szintig előzsugorítottuk, hogy olyan bioszenzor-platformot hozzunk létre, amely egy teljesen újfajta valós idejű, egymolekulás mérést kombinál egy hosszú távú, korlátlan skálázási ütemtervvel a kisebb, gyorsabb és olcsóbb tesztek és műszerek számára" - tette hozzá Barry Merriman, a Roswell társalapítója és tudományos igazgatója, a tanulmány vezető szerzője.
Az új molekuláris elektronikai platform valós időben, egymolekulás skálán detektálja a multiomikus molekuláris kölcsönhatásokat. A PNAS tanulmány a szondamolekulák széles skáláját mutatja be, köztük DNS-t, aptamereket, antitesteket és antigéneket, valamint a diagnosztika és a szekvenálás szempontjából releváns enzimek aktivitását, köztük a cél-DNS-hez kötődő CRISPR Cas enzimet. Az ilyen szondák széles körű alkalmazására nyílhat lehetőség például a gyors COVID-tesztelés, a gyógyszerkutatás és a proteomika területén.
A cikk egy olyan molekuláris elektronikai érzékelőt is bemutat, amely képes a DNS-szekvencia leolvasására. Ebben a szenzorban egy DNS-polimeráz, a DNS-t másoló enzim van az áramkörbe integrálva, és az eredmény az enzim működésének közvetlen elektromos megfigyelése, amint betűről betűre lemásol egy darab DNS-t. Más szekvenálási technológiákkal ellentétben, amelyek a polimeráz aktivitásának közvetett mérésére támaszkodnak, ez a megközelítés a nukleotidokat beépítő DNS-polimeráz enzim közvetlen, valós idejű megfigyelését teszi lehetővé. A cikk bemutatja, hogyan lehet ezeket az aktivitási jeleket gépi tanulási algoritmusokkal elemezni, hogy lehetővé váljon a szekvencia leolvasása.
"A Roswell szekvenáló szenzora új, közvetlen képet nyújt a polimeráz aktivitásról, amely további nagyságrendekkel fejlesztheti a szekvenálási technológiát sebesség és költség tekintetében is. Ez az ultraszabályozható chip megnyitja a lehetőséget a nagymértékben elosztott szekvenáláshoz a személyes egészség vagy a környezet monitorozásához, valamint a jövőbeli ultranagy áteresztőképességű alkalmazásokhoz, például az Exabyte-méretű DNS-adattároláshoz" - mutatott rá az új chip távlatos jelentőségére George Church professzor, a tanulmány társszerzője, az amerikai Nemzeti Tudományos Akadémia tagja és a Roswell tudományos tanácsadó testületének tagja.
