La première puce électronique moléculaire a été développée, réalisant un objectif vieux de 50 ans consistant à intégrer des molécules uniques dans des circuits pour atteindre les limites d'échelle ultimes de la loi de Moore. Développée par Roswell Biotechnologies et une équipe multidisciplinaire de scientifiques universitaires de premier plan, la puce utilise des molécules uniques comme éléments de capteur universels dans un circuit pour créer un biocapteur programmable avec une sensibilité en temps réel à une seule molécule et une évolutivité illimitée de la densité de pixels du capteur. Cette innovation, apparaissant cette semaine dans un article évalué par des pairs dans les Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) , propulsera des avancées dans divers domaines qui reposent fondamentalement sur l'observation des interactions moléculaires, notamment la découverte de médicaments, le diagnostic, le séquençage de l'ADN et la protéomique.

"La biologie fonctionne par des molécules uniques qui se parlent, mais nos méthodes de mesure existantes ne peuvent pas détecter cela", a déclaré le co-auteur Jim Tour, Ph.D., professeur de chimie à l'Université Rice et pionnier dans le domaine de l'électronique moléculaire. "Les capteurs présentés dans cet article nous permettent pour la première fois d'écouter ces communications moléculaires, permettant une nouvelle et puissante vision de l'information biologique."

La plate-forme d'électronique moléculaire consiste en une puce semi-conductrice programmable avec une architecture de réseau de capteurs évolutive. Chaque élément de réseau se compose d'un compteur de courant électrique qui surveille le courant circulant dans un fil moléculaire de précision, assemblé pour couvrir des nanoélectrodes qui le couplent directement dans le circuit. Le capteur est programmé en fixant la molécule de sonde souhaitée au fil moléculaire, via un site de conjugaison central conçu. Le courant observé fournit une lecture électronique directe en temps réel des interactions moléculaires de la sonde. Ces mesures du courant en fonction du temps à l'échelle du picoampère sont lues à partir du réseau de capteurs sous forme numérique, à une vitesse de 1 000 images par seconde, pour capturer les données d'interactions moléculaires avec une résolution, une précision et un débit élevés.

"L'objectif de ce travail est de placer la biodétection sur une base technologique idéale pour l'avenir de la médecine de précision et du bien-être personnel", a ajouté le co-fondateur et directeur scientifique de Roswell, Barry Merriman, Ph.D., l'auteur principal de l'article. "Cela nécessite non seulement de mettre la biodétection sur puce, mais de la bonne manière, avec le bon type de capteur. Nous avons pré-rétréci l'élément de capteur au niveau moléculaire pour créer une plate-forme de biocapteur qui combine un tout nouveau type de réel- mesure du temps d'une seule molécule avec une feuille de route de mise à l'échelle illimitée à long terme pour des tests et des instruments plus petits, plus rapides et moins chers."

La nouvelle plateforme d'électronique moléculaire détecte les interactions moléculaires multi-omiques à l'échelle de la molécule unique, en temps réel. Le PNAS présente un large éventail de molécules sondes, y compris l'ADN, les aptamères, les anticorps et les antigènes, ainsi que l'activité des enzymes pertinentes pour le diagnostic et le séquençage, y compris une enzyme CRISPR Cas liant son ADN cible. Il illustre un large éventail d'applications pour ces sondes, y compris le potentiel pour les tests COVID rapides, la découverte de médicaments et la protéomique.

L'article présente également un capteur électronique moléculaire capable de lire la séquence d'ADN. Dans ce capteur, une ADN polymérase, l'enzyme qui copie l'ADN, est intégrée dans le circuit, et le résultat est une observation électrique directe de l'action de cette enzyme lorsqu'elle copie un morceau d'ADN, lettre par lettre. Contrairement à d'autres technologies de séquençage qui reposent sur des mesures indirectes de l'activité polymérase, cette approche permet une observation directe en temps réel d'une enzyme ADN polymérase incorporant des nucléotides. L'article illustre comment ces signaux d'activité peuvent être analysés avec des algorithmes d'apprentissage automatique pour permettre la lecture de la séquence.

"Le capteur de séquençage de Roswell offre une nouvelle vue directe de l'activité de la polymérase, avec le potentiel de faire progresser la technologie de séquençage d'un ordre de grandeur supplémentaire en termes de vitesse et de coût", a déclaré le professeur George Church, co-auteur de l'article, membre du National Academy of Sciences et membre du Roswell Scientific Advisory Board. "Cette puce ultra évolutive ouvre la possibilité d'un séquençage hautement distribué pour la santé personnelle ou la surveillance de l'environnement, et pour les futures applications à très haut débit telles que le stockage de données ADN à l'échelle de l'exaoctet." + Explorer plus loin

Développement de 'membrane cellulaire-FET (lipide-FET)' pour la sensibilité du biocapteur