科學家開發出首個分子電子晶片，實現了50年前的目標

第一個分子電子晶片已經開發出來，其實現了50年來將單分子集成到電路中以達到摩爾定律的最終擴展極限的目標。據悉，該晶片由Roswell Biotechnologies和一個由領先的學術科學家組成的多學科團隊開發，其使用單分子作為電路中的通用傳感器元件，並由此創建了一個可編程的生物傳感器。

這種傳感器具有實時、單分子靈敏度和傳感器像素密度的無限擴展性。

這項創新於本周發表在《PNAS》上的文章將為從根本上基於觀察分子相互作用的各種領域的進步提供動力，其中包括藥物發現、診斷、DNA測序和蛋白質組學。

這項研究的論文共同作者、萊斯大學化學教授、分子電子學領域的先驅Jim Tour博士表示：「生物學的工作原理是單分子相互交談，但我們現有的測量方法無法檢測到這一點。本文所展示的傳感器首次讓我們聆聽到了這些分子通信，這使我們能對生物信息有一個新的和強大的看法。」

分子電子學平台由一個帶有可擴展傳感器陣列結構的可編程半導體晶片組成。每個陣列元件由一個用於監測流經精密工程分子線的電流的電流表，並組裝成跨度很大的納米電極進而將其直接耦合到電路中。該傳感器通過一個中央的工程連接點，將所需的探針分子連接到分子線上以進行編程。觀察到的電流提供了探針分子相互作用的直接、實時的電子讀出。這些皮安級的電流對時間的測量以數字形式從傳感器陣列中讀出，速度為每秒1000幀，進而以高解析度、高精確度和高吞吐量捕獲分子相互作用數據。

這項工作的目標是將生物傳感置於未來精準醫療和個人健康的理想技術基礎之上，論文的資深作者、Roswell聯合創始人兼首席科學官Barry Merriman博士補充道，「這不僅需要將生物傳感放在晶片上而且要以正確的方式使用正確的傳感器。我們已經將傳感器元件預縮到分子水平，從而創建了一個生物傳感器平台，其將一種全新的實時、單分子測量跟一個長期的、無限制的擴展路線圖相結合以實現更小、更快、更便宜的測試和儀器。」

這個新分子電子學平台在單分子尺度上實時檢測多原子分子的相互作用。PNAS論文介紹了一系列廣泛的探針分子，其中包括DNA、適配體、抗體和抗原以及跟診斷和測序有關的酶的活性–包括CRISPR Cas酶與目標DNA的結合。它說明了這種探針的廣泛用途，其中包括快速COVID測試、藥物發現和蛋白質組學的潛力。

該論文還介紹了一種能夠讀取DNA序列的分子電子傳感器。在這種傳感器中，DNA聚合酶即複製DNA的酶被集成到電路中，其結果是直接用電觀察這種酶的作用，因為它在逐個字母地複製一塊DNA。跟其他依靠間接測量聚合酶活性的測序技術不同，這種方法實現了對DNA聚合酶結合核苷酸的直接、實時觀察。該論文說明了如何用機器學習算法分析這些活性信號以實現對序列的讀取。

「Roswell測序傳感器提供了一種全新的、直接觀察聚合酶活性的方法，並有可能在速度和成本上推動測序技術的額外數量級，」該論文的共同作者、美國國家科學院院士、羅斯威爾科學顧問委員會成員George Church教授說道，「這種超可擴展的晶片為個人健康或環境監測的高度分布式測序以及未來的超高通量應用如Exabyte規模的DNA數據存儲提供了可能性。」