Se ha desarrollado el primer chip de electrónica molecular, logrando un objetivo de 50 años de integración de moléculas individuales en circuitos para lograr los límites de escala finales de la Ley de Moore. Desarrollado por Roswell Biotechnologies y un equipo multidisciplinario de científicos académicos líderes, el chip utiliza moléculas individuales como elementos sensores universales en un circuito para crear un biosensor programable con sensibilidad de una sola molécula en tiempo real y escalabilidad ilimitada en la densidad de píxeles del sensor. Esta innovación, que aparece esta semana en un artículo revisado por pares en Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) , impulsará avances en diversos campos que se basan fundamentalmente en la observación de interacciones moleculares, incluido el descubrimiento de fármacos, el diagnóstico, la secuenciación del ADN y la proteómica.

"La biología funciona con moléculas individuales que se comunican entre sí, pero nuestros métodos de medición existentes no pueden detectar esto", dijo el coautor Jim Tour, Ph.D., profesor de química de la Universidad Rice y pionero en el campo de la electrónica molecular. "Los sensores demostrados en este artículo por primera vez nos permiten escuchar estas comunicaciones moleculares, lo que permite una visión nueva y poderosa de la información biológica".

La plataforma de electrónica molecular consta de un chip semiconductor programable con una arquitectura de matriz de sensores escalable. Cada elemento de la matriz consiste en un medidor de corriente eléctrica que monitorea la corriente que fluye a través de un cable molecular diseñado con precisión, ensamblado para abarcar nanoelectrodos que lo acoplan directamente al circuito. El sensor se programa conectando la molécula de sonda deseada al cable molecular, a través de un sitio de conjugación central diseñado. La corriente observada proporciona una lectura electrónica directa y en tiempo real de las interacciones moleculares de la sonda. Estas mediciones de corriente versus tiempo a escala de picoamperios se leen del conjunto de sensores en forma digital, a una velocidad de 1000 cuadros por segundo, para capturar datos de interacciones moleculares con alta resolución, precisión y rendimiento.

"El objetivo de este trabajo es colocar la biodetección en una base tecnológica ideal para el futuro de la medicina de precisión y el bienestar personal", agregó el cofundador y director científico de Roswell, Barry Merriman, Ph.D., autor principal del artículo. "Esto requiere no solo poner la biodetección en el chip, sino de la manera correcta, con el tipo correcto de sensor. Hemos encogido previamente el elemento del sensor al nivel molecular para crear una plataforma de biosensor que combina un tipo completamente nuevo de real- tiempo, medición de una sola molécula con una hoja de ruta de escalado ilimitado y a largo plazo para pruebas e instrumentos más pequeños, más rápidos y más baratos".

La nueva plataforma de electrónica molecular detecta interacciones moleculares multiómicas a escala de una sola molécula, en tiempo real. El PNAS El artículo presenta una amplia gama de moléculas de sonda, incluidos ADN, aptámeros, anticuerpos y antígenos, así como la actividad de enzimas relevantes para el diagnóstico y la secuenciación, incluida una enzima CRISPR Cas que se une a su ADN objetivo. Ilustra una amplia gama de aplicaciones para tales sondas, incluido el potencial para pruebas rápidas de COVID, descubrimiento de fármacos y proteómica.

El artículo también presenta un sensor de electrónica molecular capaz de leer secuencias de ADN. En este sensor, se integra en el circuito una ADN polimerasa, la enzima que copia el ADN, y el resultado es una observación eléctrica directa de la acción de esta enzima mientras copia un trozo de ADN, letra por letra. A diferencia de otras tecnologías de secuenciación que se basan en medidas indirectas de la actividad de la polimerasa, este enfoque logra la observación directa en tiempo real de una enzima ADN polimerasa que incorpora nucleótidos. El documento ilustra cómo se pueden analizar estas señales de actividad con algoritmos de aprendizaje automático para permitir la lectura de la secuencia.

"El sensor de secuenciación de Roswell proporciona una visión nueva y directa de la actividad de la polimerasa, con el potencial de hacer avanzar la tecnología de secuenciación en órdenes de magnitud adicionales en velocidad y costo", dijo el profesor George Church, coautor del artículo, miembro de la National Academy of Sciences y miembro de la Junta Asesora Científica de Roswell. "Este chip ultra escalable abre la posibilidad de una secuenciación altamente distribuida para la salud personal o el control ambiental, y para futuras aplicaciones de rendimiento ultraalto, como el almacenamiento de datos de ADN a escala de Exabyte". + Explora más

Desarrollo de 'membrana celular-FET (lipid-FET)' para la sensibilidad del biosensor