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

Цифровые двойники помогут наделить вагон-термос беспрецедентными свойствами

Цифровые двойники помогут наделить вагон-термос беспрецедентными свойствами

В МАИ научили дроны видеть препятствия и думать самостоятельно

В МАИ научили дроны видеть препятствия и думать самостоятельно

В России создают автономных роботов для огнеупорного производства

В России создают автономных роботов для огнеупорного производства

В Японии возник острый дефицит углекислого газа

В Японии возник острый дефицит углекислого газа

«Умный» столик для разварки кристаллов спасет электронику от брака

«Умный» столик для разварки кристаллов спасет электронику от брака

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

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

Российский 3D-принтер печатает керамические узлы для авиадвигателей, выдерживающие 1500 °C

Российский 3D-принтер печатает керамические узлы для авиадвигателей, выдерживающие 1500 °C

Алгоритм МГУ выявляет скрытые ошибки в данных для обучения ИИ

Алгоритм МГУ выявляет скрытые ошибки в данных для обучения ИИ

Робот МФТИ установил рекорд сборки головоломки «мегаминкс» за 9,6 секунды

Робот МФТИ установил рекорд сборки головоломки «мегаминкс» за 9,6 секунды

Медицинские технологии, в которые почти невозможно поверить

Медицинские технологии, в которые почти невозможно поверить

Квантовый двигатель нарушает законы термодинамики, генерируя работу и холод одновременно

Квантовый двигатель нарушает законы термодинамики, генерируя работу и холод одновременно

ИИ в джунглях: как в Коста-Рике тестируют сообразительность диких обезьян

ИИ в джунглях: как в Коста-Рике тестируют сообразительность диких обезьян

Новое исследование объяснило, почему мы пишем злые комментарии в соцсетях

Новое исследование объяснило, почему мы пишем злые комментарии в соцсетях

Древние листья предсказали судьбу современных лесов при глобальном потеплении

Древние листья предсказали судьбу современных лесов при глобальном потеплении

Ученые Стаффордширского университета раскрыли тайну проклятия мумий

Ученые Стаффордширского университета раскрыли тайну проклятия мумий

Радиационный жилет AstroRad для астронавтов оказался эффективнее ожиданий во время солнечных бурь

Радиационный жилет AstroRad для астронавтов оказался эффективнее ожиданий во время солнечных бурь