O primeiro chip de eletrônica molecular foi desenvolvido, realizando um objetivo de 50 anos de integrar moléculas únicas em circuitos para atingir os limites de escala finais da Lei de Moore. Desenvolvido pela Roswell Biotechnologies e uma equipe multidisciplinar de cientistas acadêmicos líderes, o chip usa moléculas únicas como elementos sensores universais em um circuito para criar um biossensor programável com sensibilidade de molécula única em tempo real e escalabilidade ilimitada na densidade de pixels do sensor. Esta inovação, aparecendo esta semana em um artigo revisado por pares no Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) , impulsionará avanços em diversos campos que são fundamentalmente baseados na observação de interações moleculares, incluindo descoberta de medicamentos, diagnósticos, sequenciamento de DNA e proteômica.
"A biologia funciona por moléculas individuais conversando umas com as outras, mas nossos métodos de medição existentes não podem detectar isso", disse o coautor Jim Tour, Ph.D., professor de química da Rice University e pioneiro no campo da eletrônica molecular. “Os sensores demonstrados neste artigo pela primeira vez nos permitem ouvir essas comunicações moleculares, permitindo uma visão nova e poderosa das informações biológicas”.

A plataforma de eletrônica molecular consiste em um chip semicondutor programável com uma arquitetura de matriz de sensores escalável. Cada elemento da matriz consiste em um medidor de corrente elétrica que monitora a corrente que flui através de um fio molecular de engenharia de precisão, montado para abranger nanoeletrodos que o acoplam diretamente ao circuito. O sensor é programado anexando a molécula da sonda desejada ao fio molecular, por meio de um local de conjugação central e projetado. A corrente observada fornece uma leitura eletrônica direta e em tempo real das interações moleculares da sonda. Essas medições de corrente versus tempo em escala de picoamp são lidas do conjunto de sensores em formato digital, a uma taxa de 1.000 quadros por segundo, para capturar dados de interações moleculares com alta resolução, precisão e rendimento.

"O objetivo deste trabalho é colocar o biossensor em uma base tecnológica ideal para o futuro da medicina de precisão e bem-estar pessoal", acrescentou Roswell co-fundador e diretor científico Barry Merriman, Ph.D., autor sênior do artigo. “Isso requer não apenas colocar o biossensor no chip, mas da maneira certa, com o tipo certo de sensor. tempo, medição de molécula única com um roteiro de escala de longo prazo e ilimitado para testes e instrumentos menores, mais rápidos e mais baratos."

A nova plataforma de eletrônica molecular detecta interações moleculares multi-ômicas na escala de uma única molécula, em tempo real. O PNAS artigo apresenta uma ampla gama de moléculas sonda, incluindo DNA, aptâmeros, anticorpos e antígenos, bem como a atividade de enzimas relevantes para diagnóstico e sequenciamento, incluindo uma enzima CRISPR Cas ligando seu DNA alvo. Ele ilustra uma ampla gama de aplicações para essas sondas, incluindo o potencial para testes rápidos de COVID, descoberta de medicamentos e proteômica.

O trabalho também apresenta um sensor de eletrônica molecular capaz de ler a sequência de DNA. Nesse sensor, uma DNA polimerase, a enzima que copia o DNA, é integrada ao circuito, e o resultado é a observação elétrica direta da ação dessa enzima ao copiar um pedaço de DNA, letra por letra. Ao contrário de outras tecnologias de sequenciamento que dependem de medidas indiretas da atividade da polimerase, essa abordagem obtém observação direta e em tempo real de uma enzima DNA polimerase incorporando nucleotídeos. O artigo ilustra como esses sinais de atividade podem ser analisados ​​com algoritmos de aprendizado de máquina para permitir a leitura da sequência.

"O sensor de sequenciamento Roswell fornece uma visão nova e direta da atividade da polimerase, com potencial para avançar a tecnologia de sequenciamento por ordens de magnitude adicionais em velocidade e custo", disse o professor George Church, coautor do artigo, membro do National Academy of Sciences e membro do Conselho Consultivo Científico da Roswell. "Este chip ultra escalável abre a possibilidade de sequenciamento altamente distribuído para monitoramento de saúde pessoal ou ambiental e para futuras aplicações de rendimento ultra-alto, como armazenamento de dados de DNA em escala Exabyte". + Explorar mais

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