Alors que la nanotechnologie devient de plus en plus omniprésente, les chercheurs l'utilisent pour réduire la taille des diagnostics médicaux, plus rapide, et moins cher, afin de mieux diagnostiquer les maladies, en savoir plus sur les traits hérités, et plus. Mais à mesure que les capteurs deviennent plus petits, les mesurer devient plus difficile - il y a toujours un compromis entre le temps que prend une mesure et sa précision. Et quand un signal est très faible, le compromis est particulièrement important.

Une équipe de chercheurs de Columbia Engineering, dirigé par le professeur de génie électrique Ken Shepard, avec des collègues de l'Université de Pennsylvanie, a trouvé un moyen de mesurer les nanopores - de minuscules trous dans une membrane mince qui peuvent détecter des molécules biologiques uniques telles que l'ADN et les protéines - avec moins d'erreurs que ce qui peut être obtenu avec des instruments commerciaux. Ils ont miniaturisé la mesure en concevant un circuit intégré personnalisé utilisant la technologie commerciale des semi-conducteurs, construire la mesure des nanopores autour de la nouvelle puce amplificateur. Leurs recherches seront publiées dans Advance Online Publication sur Méthodes naturelles le site Web de le 18 mars.

Les nanopores sont des scientifiques passionnants car ils peuvent conduire à un séquençage de l'ADN extrêmement peu coûteux et rapide. Mais les signaux des nanopores sont très faibles, il est donc extrêmement important de les mesurer aussi proprement que possible.

« Nous avons placé une minuscule puce d'amplification directement dans la chambre à liquide à côté du nanopore, et les signaux sont si nets que nous pouvons voir des molécules simples traverser le pore en seulement une microseconde, " dit Jacob Rosenstein, un doctorat candidat en génie électrique à Columbia Engineering et auteur principal de l'article. "Précédemment, les scientifiques ne pouvaient voir que des molécules qui restent dans les pores plus de 10 microsecondes. »

De nombreuses mesures de molécules uniques sont actuellement réalisées à l'aide de techniques optiques, qui utilisent des molécules fluorescentes qui émettent des photons à une longueur d'onde particulière. Mais, alors que la fluorescence est très puissante, sa principale limitation est que chaque molécule ne produit généralement que quelques milliers de photons par seconde. "Cela signifie que vous ne pouvez rien voir qui se passe plus vite que quelques millisecondes, car toute image que vous pourriez prendre serait trop sombre, " explique Shepard, qui est le conseiller de Rosenstein. "D'autre part, si vous pouvez utiliser des techniques qui mesurent des électrons ou des ions, vous pouvez obtenir des milliards de signaux par seconde. Le problème est que pour les mesures électroniques il n'y a pas d'équivalent à un filtre de longueur d'onde fluorescent, donc même si le signal arrive, il est souvent noyé dans le bruit de fond."

Le groupe de Shepard s'intéresse depuis plusieurs années aux mesures de molécules uniques en étudiant une variété de nouvelles plates-formes de transduction. Ils ont commencé à travailler avec des capteurs à nanopores après Marija Drndic, professeur de physique à l'Université de Pennsylvanie, a donné un séminaire à Columbia Engineering en 2009. "Nous avons vu que presque tout le monde mesure les nanopores à l'aide d'amplificateurs d'électrophysiologie classiques, qui sont principalement optimisés pour des mesures plus lentes, " note Shepard. " Nous avons donc conçu notre propre circuit intégré à la place. "

Rosenstein a conçu la nouvelle électronique et a effectué une grande partie du travail de laboratoire. Le groupe de Drndic à l'Université de Pennsylvanie a fabriqué les nanopores que l'équipe a ensuite mesurés dans leur nouveau système.

"Alors que la plupart des groupes essaient de ralentir l'ADN, notre approche est de construire une électronique plus rapide, " dit Drndic. " Nous avons combiné l'électronique la plus sensible avec les nanopores à l'état solide les plus sensibles. "

"C'est très excitant de pouvoir faire des mesures purement électroniques de molécules individuelles, " dit Rosenstein. " La configuration pour les mesures de nanopores est très simple et portable. Il ne nécessite pas de microscope compliqué ou d'instruments puissants; cela nécessite juste une attention aux détails. Vous pouvez facilement imaginer que la technologie des nanopores aura un impact majeur sur le séquençage de l'ADN et d'autres applications médicales au cours des prochaines années. »

Le groupe Shepard continue d'améliorer ces techniques. "Avec un design de nouvelle génération, " il dit, « nous pourrons peut-être obtenir une amélioration supplémentaire de 10 fois, et mesurer des choses qui ne durent que 100 nanosecondes. Notre laboratoire travaille également avec d'autres techniques électroniques à molécule unique basées sur des transistors à nanotubes de carbone, qui peut exploiter des circuits électroniques similaires. C'est une période passionnante!"