A medida que la nanotecnología se vuelve cada vez más omnipresente, los investigadores lo están utilizando para hacer los diagnósticos médicos más pequeños, más rápido, y mas barato, para diagnosticar mejor las enfermedades, aprender más sobre los rasgos heredados, y más. Pero a medida que los sensores se hacen más pequeños, medirlos se vuelve más difícil:siempre existe una compensación entre el tiempo que se tarda en realizar una medición y su precisión. Y cuando una señal es muy débil, la compensación es especialmente grande.

Un equipo de investigadores de Columbia Engineering, dirigido por el profesor de ingeniería eléctrica Ken Shepard, junto con colegas de la Universidad de Pensilvania, ha descubierto una manera de medir los nanoporos (pequeños orificios en una membrana delgada que puede detectar moléculas biológicas individuales como el ADN y las proteínas) con menos error que el que se puede lograr con los instrumentos comerciales. Han miniaturizado la medición diseñando un circuito integrado personalizado utilizando tecnología de semiconductores comercial, construyendo la medición de nanoporos alrededor del nuevo chip amplificador. Su investigación se publicará en la Publicación avanzada en línea sobre Métodos de la naturaleza sitio web el 18 de marzo.

Los nanoporos son científicos interesantes porque pueden conducir a una secuenciación de ADN rápida y de muy bajo costo. Pero las señales de los nanoporos son muy débiles, por lo que es de vital importancia medirlos de la manera más limpia posible.

"Colocamos un pequeño chip amplificador directamente en la cámara de líquido junto al nanoporo, y las señales son tan limpias que podemos ver moléculas individuales que atraviesan el poro en solo un microsegundo, "dice Jacob Rosenstein, un doctorado candidato en ingeniería eléctrica en Columbia Engineering y autor principal del artículo. "Previamente, los científicos solo pudieron ver moléculas que permanecen en el poro durante más de 10 microsegundos ".

Muchas mediciones de una sola molécula se realizan actualmente mediante técnicas ópticas, que utilizan moléculas fluorescentes que emiten fotones a una determinada longitud de onda. Pero, mientras que la fluorescencia es muy poderosa, su principal limitación es que cada molécula suele producir sólo unos pocos miles de fotones por segundo. "Esto significa que no puede ver nada que suceda más rápido que unos pocos milisegundos, porque cualquier imagen que pudieras tomar sería demasiado tenue, "explica Shepard, quien es el consejero de Rosenstein. "Por otra parte, si puede utilizar técnicas que midan electrones o iones, puede obtener miles de millones de señales por segundo. El problema es que para las mediciones electrónicas no existe equivalente a un filtro de longitud de onda fluorescente, así que aunque la señal llegue, a menudo está enterrado en el ruido de fondo ".

El grupo de Shepard ha estado interesado en las mediciones de una sola molécula durante varios años, analizando una variedad de plataformas de transducción novedosas. Comenzaron a trabajar con sensores de nanoporos después de Marija Drndic, profesor de física en la Universidad de Pennsylvania, dio un seminario en Columbia Engineering en 2009. "Vimos que casi todos los demás miden nanoporos usando amplificadores de electrofisiología clásicos, que en su mayoría están optimizados para mediciones más lentas, ", señala Shepard." Así que diseñamos nuestro propio circuito integrado en su lugar ".

Rosenstein diseñó la nueva electrónica e hizo gran parte del trabajo de laboratorio. El grupo de Drndic en la Universidad de Pensilvania fabricó los nanoporos que luego el equipo midió en su nuevo sistema.

"Si bien la mayoría de los grupos intentan ralentizar el ADN, nuestro enfoque es construir dispositivos electrónicos más rápidos, ", dice Drndic." Combinamos la electrónica más sensible con los nanoporos de estado sólido más sensibles ".

"Es muy emocionante poder realizar mediciones puramente electrónicas de moléculas individuales, "dice Rosenstein." La configuración para las mediciones de nanoporos es muy simple y portátil. No requiere un microscopio complicado o instrumentos de alta potencia; solo requiere atención al detalle. Puede imaginarse fácilmente que la tecnología de nanoporos tendrá un gran impacto en la secuenciación del ADN y otras aplicaciones médicas en los próximos años ".

El grupo de Shepard continúa mejorando estas técnicas. "Con un diseño de próxima generación, " él dice, "es posible que podamos obtener una mejora 10 veces mayor, y medir cosas que duran solo 100 nanosegundos. Nuestro laboratorio también está trabajando con otras técnicas electrónicas de molécula única basadas en transistores de nanotubos de carbono, que puede aprovechar circuitos electrónicos similares. ¡Este es un momento emocionante!"