На стыке техники и биологии — разработан первый масштабируемый молекулярный чип

Недавно созданный чип Roswell Molecular Electronics использует отдельные молекулы в качестве универсальных сенсорных элементов в схеме для создания программируемого биосенсора с чувствительностью к одной молекуле в режиме реального времени.

На стыке техники и биологии — разработан первый масштабируемый молекулярный чип

Любой организм работает, когда отдельные молекулы общаются друг с другом, но наши существующие методы измерения не могут этого обнаружить. Для этого необходимы специальные сенсоры, молекулярные чипы, успешное создание масштабируемог опрототипа которых стало громким событием. Теперь у ученых появится возможность не предсказыавть, а напрямую наблюдать способ коммуникации отдельных молекул.

Первый чип молекулярной электроники, реализующий поставленную 50-лет назад цель интеграции отдельных молекул в схемы для достижения предельных пределов масштабирования закона Мура — создан. Разработанный Roswell Biotechnologies и междисциплинарной командой ведущих академических ученых, чип использует отдельные молекулы в качестве универсальных сенсорных элементов в схеме для создания программируемого биосенсора с чувствительностью к одной молекуле в режиме реального времени и неограниченной масштабируемостью по плотности пикселей сенсора. Это новшество, появившееся на этой неделе в рецензируемой статье в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), будет способствовать прогрессу в различных областях, которые в основном основаны на наблюдении за молекулярными взаимодействиями, включая открытие лекарств, диагностику, секвенирование ДНК и протеомика.

Платформа молекулярной электроники состоит из программируемого полупроводникового чипа с масштабируемой архитектурой массива датчиков. Каждый элемент массива состоит из измерителя электрического тока, который отслеживает ток, протекающий по точно спроектированной молекулярной проволоке, соединенной с наноэлектродами, которые соединяют ее непосредственно с цепью. Сенсор программируется путем прикрепления нужной молекулы зонда к молекулярной проволоке через центральный сконструированный сайт конъюгации. Наблюдаемый ток обеспечивает прямое электронное считывание молекулярных взаимодействий зонда в режиме реального времени. Эти измерения тока в пикоамперном масштабе считываются с массива датчиков в цифровой форме со скоростью 1000 кадров в секунду для сбора данных о молекулярных взаимодействиях с высоким разрешением, точностью и пропускной способностью.

На стыке техники и биологии — разработан первый масштабируемый молекулярный чип

Источник: PNAS.

Прицип работы чипа. (А) При наличии пары взаимодействующих молекул одна из пары выбирается в качестве молекулы-зонда и конъюгируется с прецизионной молекулярной проволокой (здесь синтетический α-спиральный белок), которая охватывает наноразмерный зазор между металлическими наноэлектродами. (Б) На поверхности КМОП-чипа изготавливается большой массив датчиков. Показано аннотированное изображение чипа CMOS, используемого в этих исследованиях. (C) Изображение сенсорных наноэлектродов, показывающее зазор 20 нм для молекулярного моста.

Новая платформа молекулярной электроники обнаруживает мультиомные молекулярные взаимодействия в масштабе одной молекулы в режиме реального времени. В документе PNAS представлен широкий спектр молекул-зондов, включая ДНК, аптамеры, антитела и антигены, а также активность ферментов, имеющих отношение к диагностике и секвенированию, включая фермент CRISPR Cas, связывающий ДНК-мишень. Он иллюстрирует широкий спектр применений таких зондов, включая потенциал для быстрого тестирования COVID, открытия лекарств и протеомики.

В статье также представлен датчик молекулярной электроники, способный считывать последовательность ДНК. В этом датчике ДНК-полимераза, фермент, который копирует ДНК, интегрирована в цепь, и в результате получается прямое электрическое наблюдение за действием этого фермента, когда он копирует фрагмент ДНК буква за буквой. В отличие от других технологий секвенирования, основанных на косвенных измерениях полимеразной активности, этот подход обеспечивает прямое наблюдение в режиме реального времени за ДНК-полимеразным ферментом, включающим нуклеотиды. В документе показано, как эти сигналы активности можно анализировать с помощью алгоритмов машинного обучения, чтобы можно было прочитать последовательность.

Читайте также

ИИ-агенты OpenAI тайно общались через сторонние сайты

ИИ-агенты OpenAI тайно общались через сторонние сайты

ИИ научился различать мысленно произнесенные слова с точностью 78%

ИИ научился различать мысленно произнесенные слова с точностью 78%

ИИ и квантовые технологии объединили для анализа МРТ-снимков головного мозга

ИИ и квантовые технологии объединили для анализа МРТ-снимков головного мозга

OpenAI использовала 10 000 ИИ-агентов для решения задачи тысячелетия

OpenAI использовала 10 000 ИИ-агентов для решения задачи тысячелетия

Умное покрытие спасет сверхпроводники от перегорания

Умное покрытие спасет сверхпроводники от перегорания

Астрофизические алгоритмы применили для моделирования земной аэродинамики

Астрофизические алгоритмы применили для моделирования земной аэродинамики

Сверхзвуковой самолет NASA X-59 завершил 25 испытательных полетов

Сверхзвуковой самолет NASA X-59 завершил 25 испытательных полетов

Российская технология исключит бракованные заготовки из производства за 5 секунд

Российская технология исключит бракованные заготовки из производства за 5 секунд

15 технологий древности, которыми человечество пользуется до сих пор

15 технологий древности, которыми человечество пользуется до сих пор

Семь самых больших машин в истории: гиганты весом в тысячи тонн и длиной в километры

Семь самых больших машин в истории: гиганты весом в тысячи тонн и длиной в километры

Те самые редкоземельные металлы: что в них редкого и зачем они вообще нужны

Те самые редкоземельные металлы: что в них редкого и зачем они вообще нужны

Ученые виртуально развернули и прочли свитки папируса, обугленные при извержении Везувия

Ученые виртуально развернули и прочли свитки папируса, обугленные при извержении Везувия

Audi представила самый экономичный электромобиль в своей истории с запасом хода до 646 км

Audi представила самый экономичный электромобиль в своей истории с запасом хода до 646 км

ООН предупредила: глобальное потепление вскоре превысит критический порог в 1,5 °C

ООН предупредила: глобальное потепление вскоре превысит критический порог в 1,5 °C

Астрономы обнаружили две молодые звезды, которые случайно «нашли друг друга» в космосе

Астрономы обнаружили две молодые звезды, которые случайно «нашли друг друга» в космосе

Фотон от мощнейшего космического взрыва мог указать на нарушение законов Эйнштейна

Фотон от мощнейшего космического взрыва мог указать на нарушение законов Эйнштейна