(Phys.org) —Ken Shepard, un profesor de ingeniería eléctrica, cree que no hay ningún otro lugar en el mundo donde pueda hacer lo que hace. "Imagine una convergencia de la tecnología de semiconductores y la biotecnología. No hay ninguna empresa que tenga experiencia en ambos, "Se necesita una universidad para descubrir cómo unir esas dos piezas y crear nuevas tecnologías a partir de esta sinergia".

En particular, su investigación se centra en encontrar nuevas aplicaciones para circuitos integrados, o patatas fritas. La investigación de semiconductores tiene, él dice, "se centró en el uso de circuitos integrados para construir computadoras y dispositivos de comunicación como teléfonos celulares, pero lo que realmente no hemos explorado es cómo podemos usarlos para la biotecnología ".

Shepard, quien antes de unirse a Columbia en 1997 trabajó para IBM diseñando microprocesadores, utiliza la electrónica para interactuar con los sistemas biológicos, de moléculas individuales a células. Las interfaces más comunes para los sistemas vivos utilizan la luz como intermediaria, confiando en microscopios para observar moléculas especializadas que emiten fluorescencia en presencia de luz y sirven como marcadores.

"Puedes verlo, pero apenas puedes verlo "Shepard dice sobre el uso de un microscopio." Tienes que recopilar datos durante un período de tiempo muy largo para obtener una señal, lo que limita lo que puede hacer ".

En lugar de, Shepard y su equipo interactúan directamente con sistemas biomoleculares y biológicos utilizando una serie de objetos a nanoescala. Esto incluye la interconexión de electrodos a nanoescala, nanoporos (agujeros a nanoescala en una membrana de estado sólido) y transistores de nanotubos de carbono a circuitos integrados de silicio. "A nivel de moléculas individuales, " él dice, "el resultado son niveles de señal que pueden ser más de un millón de veces más altos que con técnicas ópticas".

En un experimento, Shepard y su equipo, en colaboración con el profesor Colin Nuckolls y el profesor asociado Ruben L.González Jr. en química, toma un diminuto tubo de carbono, o nanotubos, y romper uno de sus enlaces de carbono. Una sola molécula está unida en el sitio del enlace roto. Cuando esta molécula "sonda" interactúa con un "objetivo, "los investigadores pueden rastrear y medir esta interacción a través de cambios en la conducción eléctrica de los nanotubos. De esta manera, los científicos pueden estudiar una amplia gama de fenómenos biológicos, como la forma en que el ADN de doble hebra se funde e hibrida, así como las interacciones de las proteínas y los cambios estructurales.

En el trabajo de Shepard con nanoporos, que son tan pequeños que puedes pasar una sola molécula de ADN a través de ellos, Utiliza un circuito integrado personalizado para amplificar los cambios en las señales eléctricas causadas por la molécula que se mueve a través del nanoporo. "Nos permite mejorar la fidelidad de la señal y detectar mejor los eventos de translocación a través de los poros, " él dice.

Esta perspectiva abre un mundo completamente nuevo de posibilidades para miniaturizar y mejorar el rendimiento de muchas técnicas de diagnóstico molecular. Los métodos de secuenciación de ADN actuales se basan en secuenciar millones de eventos al mismo tiempo para generar una señal lo suficientemente grande y determinar la secuencia subyacente. La extracción de una sola hebra de ADN a través de un nanoporo permite a los investigadores detectar potencialmente pares de bases a partir de una sola molécula.

Otras aplicaciones de estas tecnologías incluyen pruebas genómicas baratas y rápidas para agentes infecciosos. Trabajando con el profesor Ian Lipkin, director del Centro de Infección e Inmunidad de la Escuela de Salud Pública Mailman, Shepard y su equipo están colaborando en la creación de ensayos de ADN que permitirían a los funcionarios de salud pública trabajar con una sola molécula y un dispositivo a nanoescala para realizar análisis y obtener identificación instantánea de agentes infecciosos. Shepard dice:"Podrías hacer un análisis de sangre muy simple y usar un dispositivo muy simple, conéctelo a una computadora portátil y averigüe con qué patógenos está infectado ".

Shepard compara el salto que su equipo está intentando dar en el estudio de las moléculas como similar al cambio de las computadoras centrales a los pequeños dispositivos informáticos que se utilizan en la actualidad. "La idea es utilizar la tecnología de circuitos integrados para reducir estas costosas y grandes máquinas a instrumentos muy pequeños y baratos que se puedan utilizar a una escala mucho más personal".