Представлен первый молекулярный электронный чип — это биосенсор, способный определять отдельные молекулы и считывать данные с ДНК

Компания Roswell Biotechnologies вместе с группой учёных сообщила о завершении разработки и успешных испытаниях биосенсорного чипа нового поколения. Датчик способен определять одиночные молекулы, активность ферментов и даже в реальном времени следить за процессом синтеза ДНК. Такая возможность не только упрощает расшифровку биоматериала, но также открывает путь к устройствам записи данных на ДНК-носителях.

Учёные давно разрабатывают биосенсорные чипы, но пандемия COVID-19 значительно подтолкнула процессы поиска решений. Компания Roswell Biotechnologies вместе с коллегами из бельгийского центра Imec за неполных два года прошли путь от проекта к готовому решению. Опытный датчик на кремниевой подложке разрешением 16 тыс. пикселей способен работать со скоростью 1000 кадров в секунду, что даёт возможность моментальной диагностики вирусов, лекарств, секвенирования ДНК, анализа белков и многое другое, на что раньше приходилось тратить массу времени и средств.

Согласно заявлению разработчиков, они создали первый в истории молекулярный датчик, который открывает путь к запуску закона Мура в сфере биодетектирования. Массив может масштабироваться до новых значений плотности и точности детектирования, повышая скорость и качество исследований биоматериала. Элементарным прибором детектирования является специальная молекула в каждом пикселе датчика, которая захватывает образец биоматериала и даёт возможность точно определить его состав.

Предложенная Roswell платформа состоит из программируемого полупроводникового чипа с масштабируемой архитектурой массива датчиков. В состав чипа входят также многоканальные АЦП для перевода информации в цифровую форму для её дальнейшего анализа средствами машинного обучения. Элементарный пиксель датчика представляет собой два наноэлектрода с зазором в 20 нм. Для оценки биоматериала между зазорами подвешивается молекулярная ниточка из активного биологического материала, например, синтетического α-спирального белка. Такой белок и захватывает образец биоматериала для дальнейшего тестирования.

Через электроды и молекулярную ниточку пропускают электрический ток. Сила тока будет зависеть от сопротивления цепи и точно указывать на целевой биоматериал, захваченный датчиком. Точность определения материала настолько высокая, что технология может применяться в качестве считывающего устройства для записи данных на ДНК. Пиксели датчика могут нести встроенные ферменты ДНК-полимеразы, что даёт возможность прямого электрического наблюдения за действием этого фермента, когда он элемент за элементом копирует фрагмент ДНК. Современная диагностика такого не позволяет, работая с ДНК лишь посредством косвенных измерений. Это способно перевернуть медицину и биологические исследования во множестве смежных сфер: в палеонтологии, криминалистике, сельском хозяйстве и много где ещё.

Добавим, данные о разработке опубликованы в издании Proceedings of the National Academy of Sciences и свободно доступны по этой ссылке.