Une équipe interdisciplinaire de l'Université de Columbia qui comprend des ingénieurs électriciens de la Columbia's Engineering School, avec des chercheurs des départements de physique et de chimie de l'Université, a trouvé un moyen d'étudier les interactions d'une seule molécule sur des échelles de temps très courtes en utilisant des transistors à l'échelle nanométrique. Dans un article à paraître en ligne le 23 janvier dans Nature Nanotechnologie , ils montrent comment, pour la première fois, les transistors peuvent être utilisés pour détecter la liaison des deux moitiés de la double hélice d'ADN avec l'ADN attaché au capteur de transistor. Les transistors détectent et amplifient directement la charge de ces biomolécules uniques.
Avant ce travail, les scientifiques ont largement utilisé les techniques de fluorescence pour étudier les interactions au niveau de molécules individuelles. Ces études ont abouti à une compréhension fondamentale du pliage, Assemblée, dynamique, et la fonction des protéines et d'autres machines cellulaires. Mais ces techniques nécessitent que les molécules cibles étudiées soient marquées avec des molécules reporter fluorescentes, et les bandes passantes pour la détection sont limitées par le temps nécessaire pour collecter le très petit nombre de photons émis par ces reporters.
Les chercheurs de Columbia, dont le professeur de génie électrique Ken Shepard, Professeur de chimie Colin Nuckolls, et les étudiants diplômés Sebastian Sorgenfrei et Chien-Yang Chiu, réalisé que les transistors, comme ceux utilisés dans les circuits intégrés modernes, ont atteint les mêmes dimensions nanométriques que les molécules individuelles. « Donc, cela a soulevé la question intéressante, " dit Sorgenfrei, l'auteur principal de l'étude, "pour savoir si ces très petits transistors pourraient être utilisés pour étudier des molécules individuelles."
Ils ont découvert que la réponse est « oui ». Les transistors employés dans cette étude sont fabriqués à partir de nanotubes de carbone, qui sont des tubes cylindriques entièrement constitués d'atomes de carbone. Bien qu'il s'agisse encore de dispositifs émergents pour les applications électroniques, ils sont extrêmement sensibles car la biomolécule peut être directement attachée à la paroi du nanotube de carbone, créant une sensibilité suffisante pour détecter une seule molécule d'ADN.
L'équipe de Columbia s'attend à ce que cette nouvelle technique soit un outil puissant pour examiner les interactions entre molécules uniques et étudie les applications d'instrumentation qui reposent actuellement presque exclusivement sur la fluorescence, telles que les dosages de protéines et le séquençage de l'ADN. Ils prévoient également d'étudier les interactions à des échelles de temps de plusieurs ordres de grandeur supérieures aux techniques actuelles basées sur la fluorescence.
« Le domaine de la recherche sur les molécules uniques est important et repousse les limites de nos systèmes de détection, " a commenté Ken Shepard, Professeur de génie électrique à Columbia Engineering. « La nanoélectronique moderne a un énorme potentiel pour jouer un rôle important dans ce domaine. Notre travail, qui a été une formidable collaboration entre des groupes de génie électrique, Chimie, et physique, est un excellent exemple de la façon dont la nanoélectronique et la biotechnologie peuvent être combinées pour produire de nouvelles, des résultats passionnants."
Shepard espère que cette recherche, qui a été financé principalement par la National Science Foundation et les National Institutes of Health, mènera à de nouvelles applications passionnantes pour les circuits électroniques à l'échelle nanométrique.
