(Phys.org)—Ken Shepard, professeur d'électrotechnique, croit qu'il n'y a nulle part ailleurs dans le monde où il pourrait faire ce qu'il fait. "Imaginez une convergence de la technologie des semi-conducteurs et de la biotechnologie. Il n'y a aucune entreprise qui possède une expertise dans les deux, " dit-il. " Il faut une université pour comprendre comment assembler ces deux pièces et créer de nouvelles technologies à partir de cette synergie. "

En particulier, ses recherches portent sur la découverte de nouvelles applications pour les circuits intégrés, ou chips. La recherche sur les semi-conducteurs a, il dit, "axé sur l'utilisation de circuits intégrés pour la construction d'ordinateurs et d'appareils de communication comme les téléphones portables, mais ce que nous n'avons pas vraiment exploré, c'est comment nous pouvons les utiliser pour la biotechnologie."

Shepard, qui avant de rejoindre Columbia en 1997 a travaillé pour IBM dans la conception de microprocesseurs, utilise l'électronique pour s'interfacer aux systèmes biologiques, des molécules simples aux cellules. Les interfaces les plus courantes avec les systèmes vivants utilisent la lumière comme intermédiaire, s'appuyant sur des microscopes pour observer des molécules spécialisées qui émettent de la fluorescence en présence de lumière et servent de marqueurs.

"Tu peux le voir, mais vous pouvez à peine le voir, " Shepard dit de l'utilisation d'un microscope. " Vous devez collecter des données pendant une très longue période de temps pour obtenir un signal, ce qui limite ce que vous pouvez faire."

Au lieu, Shepard et son équipe s'interfacent directement avec les systèmes biomoléculaires et biologiques en utilisant un certain nombre d'objets à l'échelle nanométrique. Cela comprend l'interfaçage d'électrodes nanométriques, nanopores (trous à l'échelle nanométrique dans une membrane à l'état solide) et des transistors à nanotubes de carbone aux circuits intégrés de silicium. « Au niveau des molécules individuelles, " il dit, "le résultat est des niveaux de signal qui peuvent être plus d'un million de fois plus élevés qu'en utilisant des techniques optiques."

Dans une expérience, Shepard et son équipe, en collaboration avec le professeur Colin Nuckolls et le professeur agrégé Ruben L. Gonzalez Jr. en chimie, prends un petit tube de carbone, ou nanotubes, et rompre l'une de ses liaisons carbone. Une seule molécule est attachée au site de la liaison rompue. Lorsque cette molécule "sonde" interagit avec une "cible, " les chercheurs peuvent suivre et mesurer cette interaction grâce à des changements dans la conduction électrique des nanotubes. De cette façon, les scientifiques peuvent étudier un large éventail de phénomènes biologiques, comme la façon dont l'ADN double brin fond et s'hybride ainsi que les interactions protéiques et les changements structurels.

Dans le travail de Shepard avec les nanopores, qui sont si petits que vous pouvez enfiler une seule molécule d'ADN à travers eux, il utilise un circuit intégré personnalisé pour amplifier les changements dans les signaux électriques causés par la molécule se déplaçant à travers le nanopore. "Cela nous permet d'améliorer la fidélité du signal et de mieux détecter les événements de translocation à travers les pores, " il dit.

Une telle perspective ouvre un tout nouveau monde de possibilités pour miniaturiser et améliorer les performances de nombreuses techniques de diagnostic moléculaire. Les méthodes actuelles de séquençage de l'ADN reposent sur le séquençage de millions d'événements en même temps pour générer un signal suffisamment important et déterminer la séquence sous-jacente. Tirer un seul brin d'ADN à travers un nanopore permet aux chercheurs de détecter potentiellement des paires de bases à partir d'une seule molécule.

D'autres applications de ces technologies incluent des tests génomiques rapides et bon marché pour les agents infectieux. En collaboration avec le professeur Ian Lipkin, directeur du Center for Infection and Immunity de la Mailman School of Public Health, Shepard et son équipe collaborent à la création de tests ADN qui permettraient aux responsables de la santé publique de travailler avec une seule molécule et un dispositif nanométrique pour effectuer des analyses et obtenir une identification instantanée des agents infectieux. Shepard dit, "Vous pourriez faire un test sanguin très simple et utiliser un appareil très simple, branchez-le sur un ordinateur portable et découvrez par quels agents pathogènes vous avez été infecté. »

Shepard compare le saut que son équipe tente de faire dans l'étude des molécules au passage des ordinateurs centraux aux petits appareils informatiques utilisés aujourd'hui. "L'idée est d'utiliser la technologie des circuits intégrés pour réduire ces très grosses machines coûteuses à de très petits instruments bon marché qui peuvent être utilisés à une échelle beaucoup plus personnelle."