科学家开发出首个分子电子芯片,实现了50年前的目标

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第一个分子电子芯片已经开发出来,其实现了50年来将单分子集成到电路中以达到摩尔定律的最终扩展极限的目标。据悉,该芯片由Roswell Biotechnologies和一个由领先的学术科学家组成的多学科团队开发,其使用单分子作为电路中的通用传感器元件,并由此创建了一个可编程的生物传感器。

这种传感器具有实时、单分子灵敏度和传感器像素密度的无限扩展性。

这项创新于本周发表在《PNAS》上的文章将为从根本上基于观察分子相互作用的各种领域的进步提供动力,其中包括药物发现、诊断、DNA测序和蛋白质组学。

这项研究的论文共同作者、莱斯大学化学教授、分子电子学领域的先驱Jim Tour博士表示:“生物学的工作原理是单分子相互交谈,但我们现有的测量方法无法检测到这一点。本文所展示的传感器首次让我们聆听到了这些分子通信,这使我们能对生物信息有一个新的和强大的看法。”

分子电子学平台由一个带有可扩展传感器阵列结构的可编程半导体芯片组成。每个阵列元件由一个用于监测流经精密工程分子线的电流的电流表,并组装成跨度很大的纳米电极进而将其直接耦合到电路中。该传感器通过一个中央的工程连接点,将所需的探针分子连接到分子线上以进行编程。观察到的电流提供了探针分子相互作用的直接、实时的电子读出。这些皮安级的电流对时间的测量以数字形式从传感器阵列中读出,速度为每秒1000帧,进而以高分辨率、高精确度和高吞吐量捕获分子相互作用数据。

这项工作的目标是将生物传感置于未来精准医疗和个人健康的理想技术基础之上,论文的资深作者、Roswell联合创始人兼首席科学官Barry Merriman博士补充道,“这不仅需要将生物传感放在芯片上而且要以正确的方式使用正确的传感器。我们已经将传感器元件预缩到分子水平,从而创建了一个生物传感器平台,其将一种全新的实时、单分子测量跟一个长期的、无限制的扩展路线图相结合以实现更小、更快、更便宜的测试和仪器。”

这个新分子电子学平台在单分子尺度上实时检测多原子分子的相互作用。PNAS论文介绍了一系列广泛的探针分子,其中包括DNA、适配体、抗体和抗原以及跟诊断和测序有关的酶的活性--包括CRISPR Cas酶与目标DNA的结合。它说明了这种探针的广泛用途,其中包括快速COVID测试、药物发现和蛋白质组学的潜力。

该论文还介绍了一种能够读取DNA序列的分子电子传感器。在这种传感器中,DNA聚合酶即复制DNA的酶被集成到电路中,其结果是直接用电观察这种酶的作用,因为它在逐个字母地复制一块DNA。跟其他依靠间接测量聚合酶活性的测序技术不同,这种方法实现了对DNA聚合酶结合核苷酸的直接、实时观察。该论文说明了如何用机器学习算法分析这些活性信号以实现对序列的读取。

“Roswell测序传感器提供了一种全新的、直接观察聚合酶活性的方法,并有可能在速度和成本上推动测序技术的额外数量级,”该论文的共同作者、美国国家科学院院士、罗斯威尔科学顾问委员会成员George Church教授说道,“这种超可扩展的芯片为个人健康或环境监测的高度分布式测序以及未来的超高通量应用如Exabyte规模的DNA数据存储提供了可能性。”