Der erste Chip für molekulare Elektronik wurde entwickelt und verwirklicht ein 50 Jahre altes Ziel, nämlich einzelne Moleküle in Schaltkreise zu integrieren, um die ultimativen Skalierungsgrenzen des Mooreschen Gesetzes zu erreichen. Der von Roswell Biotechnologies und einem multidisziplinären Team führender akademischer Wissenschaftler entwickelte Chip verwendet einzelne Moleküle als universelle Sensorelemente in einem Schaltkreis, um einen programmierbaren Biosensor mit Echtzeit-Empfindlichkeit für einzelne Moleküle und unbegrenzter Skalierbarkeit der Sensorpixeldichte zu schaffen. Diese Innovation, die diese Woche in einem von Experten begutachteten Artikel in den Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) veröffentlicht wurde, wird Fortschritte in verschiedenen Bereichen ermöglichen, die im Wesentlichen auf der Beobachtung molekularer Interaktionen beruhen, darunter Arzneimittelentdeckung, Diagnostik, DNA-Sequenzierung und Proteomik.
„Die Biologie funktioniert, indem einzelne Moleküle miteinander kommunizieren, aber unsere bestehenden Messmethoden können dies nicht erkennen“, sagte Co-Autor Jim Tour, PhD, Chemieprofessor an der Rice University und Pionier auf dem Gebiet der molekularen Elektronik. „Die in dieser Arbeit vorgestellten Sensoren ermöglichen es uns zum ersten Mal, diese molekulare Kommunikation zu belauschen, was eine neue und leistungsstarke Sicht auf biologische Informationen ermöglicht.“
Die Molekularelektronik-Plattform besteht aus einem programmierbaren Halbleiterchip mit einer skalierbaren Sensor-Array-Architektur. Jedes Array-Element besteht aus einem elektrischen Strommesser, der den fließenden Strom überwacht, der so zusammengesetzt ist, dass er Nanoelektroden überspannt, die ihn direkt in den Schaltkreis einkoppeln. Der Sensor wird programmiert, indem das gewünschte Sondenmolekül über eine zentrale technisch hergestellte Bindungsstelle an den molekularen Draht gebunden wird. Der beobachtete Strom liefert eine direkte elektronische Echtzeit-Anzeige der molekularen Wechselwirkungen der Sonde. Diese Strom-gegen-Zeit-Messungen im Picoampere-Bereich werden vom Sensorarray in digitaler Form mit einer Rate von 1000 Frames pro Sekunde ausgelesen, um molekulare Interaktionsdaten mit hoher Auflösung, Präzision und hohem Durchsatz zu erfassen.
„Das Ziel dieser Arbeit ist es, die Biosensorik auf eine ideale technologische Grundlage für die Zukunft der Präzisionsmedizin und des persönlichen Wohlbefindens zu stellen“, fügte Roswell-Mitbegründer und Chief Scientific Officer Barry Merriman, PhD, der Hauptautor der Studie, hinzu. Es wird ein breites Spektrum von Anwendungen für solche Sonden aufgezeigt, einschließlich des Potenzials für schnelle COVID-Tests, Arzneimittelforschung, Proteomik und das Einlesen von DNA-Sequenzen.
