第一个分子电子芯片已经开发出来，实现了一个 50 年的目标，即将单个分子集成到电路中，以实现摩尔定律的极限缩放限制。该芯片由 Roswell Biotechnologies 和领先的学术科学家组成的多学科团队开发，使用单分子作为电路中的通用传感器元件，以创建具有实时、单分子灵敏度和传感器像素密度无限可扩展性的可编程生物传感器。这项创新本周出现在《美国国家科学院院刊》（PNAS）的同行评议文章中, 将推动从根本上基于观察分子相互作用的不同领域的进步，包括药物发现、诊断、DNA 测序和蛋白质组学。
“生物学是通过单个分子相互交谈来工作的，但我们现有的测量方法无法检测到这一点，”共同作者、莱斯大学化学教授、分子电子学领域的先驱 Jim Tour 博士说。“本文首次展示的传感器让我们能够监听这些分子通信，从而获得新的、强大的生物信息视图。”
分子电子平台由具有可扩展传感器阵列架构的可编程半导体芯片组成。每个阵列元件都由一个电流计组成，该电流计监测流经精密设计的分子线的电流，组装成跨越纳米电极，将其直接耦合到电路中。通过将所需的探针分子通过中央工程结合位点连接到分子线上，对传感器进行编程。观察到的电流提供了探针分子相互作用的直接、实时电子读数。这些皮安级电流与时间测量值以数字形式从传感器阵列中读出，速度为每秒 1000 帧，以捕获具有高分辨率、精度和吞吐量的分子相互作用数据。
“这项工作的目标是将生物传感置于精准医学和个人健康未来的理想技术基础上，”该论文的高级作者 Roswell 联合创始人兼首席科学官 Barry Merriman 博士补充道。“这不仅需要将生物传感放在芯片上，还需要以正确的方式，使用正确的传感器。我们已经将电子元器件的传感器元件预先缩小到分子水平，以创建一个结合了全新类型真实的生物传感器平台——时间，单分子测量，具有长期、无限扩展的路线图，用于更小、更快和更便宜的测试和仪器。”
新的分子电子平台实时检测单分子尺度的多组学分子相互作用。PNAS论文介绍了广泛的探针分子，包括 DNA、适体、抗体和抗原，以及与诊断和测序相关的酶的活性，包括结合其靶 DNA 的 CRISPR Cas 酶。它说明了此类探针的广泛应用，包括快速 COVID 测试、药物发现和蛋白质组学的潜力。
该论文还提出了一种能够读取 DNA 序列的分子电子传感器。在这个传感器中，DNA 聚合酶（一种复制 DNA 的酶）被集成到电路中，结果是当它逐个字母地复制一段 DNA 时，直接用电观察这种酶的作用。与其他依赖聚合酶活性间接测量的测序技术不同，这种方法实现了对掺入核苷酸的 DNA 聚合酶的直接、实时观察。该论文说明了如何使用机器学习算法分析这些活动信号以允许读取序列。
“Roswell 测序传感器提供了一种新的、直接的聚合酶活性视图，有可能将测序技术在速度和成本方面提高几个数量级，”该论文的合著者、美国国家医学会成员 George Church 教授说。科学院，罗斯威尔科学顾问委员会成员。“这种超可扩展芯片为个人健康或环境监测的高度分布式测序以及未来的超高通量应用（如字节级 DNA 数据存储）开辟了可能性。”
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