p (Phys.org) - Ken Shepard, um professor de engenharia elétrica, acredita que não há nenhum outro lugar no mundo onde ele possa fazer o que faz. "Imagine uma convergência de tecnologia de semicondutores e biotecnologia. Não há nenhuma empresa por aí que tenha experiência em ambas, "ele diz." É preciso uma universidade para descobrir como juntar essas duas peças e criar novas tecnologias a partir dessa sinergia. " p Em particular, sua pesquisa se concentra em encontrar novas aplicações para circuitos integrados, ou chips. A pesquisa de semicondutores tem, ele diz, "focada no uso de circuitos integrados para a construção de computadores e dispositivos de comunicação como telefones celulares, mas o que realmente não exploramos é como podemos usá-los para a biotecnologia. "

p Shepard, que antes de ingressar na Columbia em 1997 trabalhou para a IBM projetando microprocessadores, usa eletrônicos para fazer interface com sistemas biológicos, de moléculas individuais para células. As interfaces mais comuns para sistemas vivos usam a luz como intermediária, depender de microscópios para observar moléculas especializadas que fluorescem na presença de luz e servem como marcadores.

p "Você pode ver isso, mas você mal consegue ver, "Shepard diz sobre o uso de um microscópio." Você tem que coletar dados por um longo período de tempo para obter um sinal, o que limita o que você pode fazer. "

p Em vez de, Shepard e sua equipe fazem interface direta com sistemas biomoleculares e biológicos usando uma série de objetos em nanoescala. Isso inclui a interface de eletrodos em nanoescala, nanoporos (buracos em nanoescala em uma membrana de estado sólido) e transistores de nanotubos de carbono para circuitos integrados de silício. "No nível de moléculas individuais, " ele diz, "o resultado são níveis de sinal que podem ser mais de um milhão de vezes mais altos do que usando técnicas ópticas."

p Em um experimento, Shepard e sua equipe, em colaboração com o professor Colin Nuckolls e o professor associado Ruben L. Gonzalez Jr. em química, pegue um minúsculo tubo de carbono, ou nanotubo, e quebrar uma de suas ligações de carbono. Uma única molécula é anexada ao local da ligação quebrada. Quando esta molécula "sonda" interage com um "alvo, “Os pesquisadores podem rastrear e medir essa interação por meio de mudanças na condução elétrica dos nanotubos. os cientistas podem estudar uma ampla gama de fenômenos biológicos, como a maneira como o DNA de fita dupla se funde e se hibridiza, bem como as interações de proteínas e as mudanças estruturais.

p No trabalho de Shepard com nanoporos, que são tão pequenos que você pode inserir uma única molécula de DNA através deles, ele usa um circuito integrado personalizado para amplificar as mudanças nos sinais elétricos causados ​​pela molécula que se move através do nanopore. "Isso nos permite melhorar a fidelidade do sinal e sentir melhor os eventos de translocação através dos poros, " ele diz.

p Tal perspectiva abre um novo mundo de possibilidades para miniaturizar e melhorar o desempenho de muitas técnicas de diagnóstico molecular. Os métodos atuais de sequenciamento de DNA contam com o sequenciamento de milhões de eventos ao mesmo tempo para gerar um sinal grande o suficiente e determinar a sequência subjacente. Puxar uma única fita de DNA através de um nanoporo permite que os pesquisadores detectem potencialmente pares de bases de apenas uma única molécula.

p Outras aplicações para essas tecnologias incluem testes genômicos baratos e rápidos para agentes infecciosos. Trabalhando com o Professor Ian Lipkin, diretor do Centro de Infecção e Imunidade da Escola Mailman de Saúde Pública, Shepard e sua equipe estão colaborando na criação de testes de DNA que permitiriam aos funcionários da saúde pública trabalhar com uma única molécula e um dispositivo em nanoescala para realizar análises e obter a identificação instantânea de agentes infecciosos. Shepard diz, "Você poderia fazer um exame de sangue muito simples e usar um dispositivo muito simples, conecte-o a um laptop e descubra quais patógenos você foi infectado. "

p Shepard compara o salto que sua equipe está tentando dar ao estudar moléculas como semelhante à mudança dos computadores mainframe para os pequenos dispositivos de computação em uso hoje. "A ideia é usar tecnologia de circuito integrado para reduzir essas máquinas muito grandes e caras a instrumentos muito pequenos e baratos que podem ser usados ​​em uma escala muito mais pessoal."