Roswell Biotechnologies sta digitalizzando la biologia con l’elettronica molecolare per prevedere, prevenire e curare le malattie. L’azienda ha sviluppato il primo chip di elettronica molecolare al mondo, il Roswell ME Chip, che integra singole molecole nella tecnologia dei chip semiconduttori standard per fornire un biosensore programmabile che fa convergere un’ampia gamma di applicazioni di biorilevamento e misurazioni “ohmiche” su un’unica piattaforma.
La piattaforma Roswell ME viene commercializzata per applicazioni nella ricerca e scoperta di farmaci, nella diagnostica molecolare, nel sequenziamento e nell’archiviazione dei dati digitali del Dna. Roswell Biotechnologies è stata fondata nel 2014 da leader del settore nelle tecnologie genomiche e ha sede a San Diego, in California.
Il sensore di sequenziamento Roswell offre una nuova visione diretta dell’attività della polimerasi, con il potenziale di far avanzare la tecnologia di sequenziamento di diversi ordini di grandezza in termini di velocità e costi”, ha affermato il professor George Church, coautore dell’articolo, membro della National Academy of Sciences e membro del Roswell Scientific Advisory Board. “Questo chip ultra scalabile apre la possibilità per il sequenziamento altamente distribuito per la salute personalizzabile o il monitoraggio ambientale e per future applicazioni a elevatissimo throughput, come l’archiviazione dei dati del Dna, su scala Exabyte”.
Una piattaforma per la misurazione a singola molecola della cinetica di legame e dell’attività enzimatica
Il primo chip di elettronica molecolare è stato sviluppato realizzando un obiettivo perseguito da 50 anni, quello di integrare singole molecole nei circuiti per raggiungere i limiti di scalabilità finali della legge di Moore. Sviluppato da Roswell Biotechnologies e da un team multidisciplinare di eminenti scienziati accademici, il chip utilizza singole molecole come elementi sensoriali universali in un circuito per creare un biosensore programmabile con sensibilità in “tempo reale”, a singola molecola e scalabilità illimitata nella densità dei pixel del sensore.
Questa innovazione, apparsa in un articolo sottoposto a revisione paritaria negli Atti della National Academy of Sciences (PNAS), alimenterà i progressi in diversi campi che sono fondamentalmente basati sull’osservazione delle interazioni molecolari, tra cui la scoperta di farmaci, la diagnostica, il sequenziamento del Dna e proteomica.
“La biologia funziona per mezzo di singole molecole che parlano tra loro, ma i nostri metodi di misurazione esistenti non possono rilevarlo”, ha affermato il coautore Jim Tour, PhD, professore di chimica della Rice University e pioniere nel campo dell’elettronica molecolare. “I sensori mostrati in questo documento per la prima volta ci consentono di ascoltare queste comunicazioni molecolari, consentendo una nuova e potente visione delle informazioni biologiche“.
Fonte: PNAS
Come è fatto il chip di elettronica molecolare
La piattaforma di elettronica molecolare è costituita da un chip semiconduttore programmabile con un’architettura scalabile di array di sensori. Ogni elemento dell’array è costituito da un misuratore di corrente elettrica che monitora la corrente che scorre attraverso un filo molecolare progettato con precisione, assemblato per coprire i nanoelettrodi che lo accoppiano direttamente nel circuito. Il sensore viene programmato collegando la molecola della sonda desiderata al filo molecolare, tramite un sito di “coniugazione “centrale e ingegnerizzato.
La corrente osservata fornisce una lettura elettronica diretta e in tempo reale delle interazioni molecolari della sonda. Queste misurazioni corrente-tempo, su scala picoamp, vengono lette dall’array di sensori in forma digitale, a una velocità di mille fotogrammi al secondo, per acquisire dati sulle interazioni molecolari con alta risoluzione, precisione e throughput.
“L’obiettivo di questo lavoro è porre il biorilevamento su una base tecnologica ideale per il futuro della medicina di precisione e del benessere personale”, ha aggiunto il co-fondatore e Chief Scientific Officer di Roswell, Barry Merriman, PhD, autore senior dell’articolo. “Ciò richiede non solo di inserire il biosensing su chip, ma nel modo giusto, con il giusto tipo di sensore. Abbiamo pre-ridotto l’elemento sensore a livello molecolare per creare una piattaforma di biosensori che combina un tipo completamente nuovo di misurazione in tempo reale di una singola molecola con una roadmap di scalabilità illimitata a lungo termine per test più piccoli, più veloci ed economici”.
Fonte: PNAS
La nuova piattaforma di elettronica molecolare rileva le interazioni molecolari multi-ohmiche su scala di singola molecola, in tempo reale. Il documento PNAS presenta un’ampia gamma di molecole sonda, tra cui Dna, aptameri, anticorpi e antigeni, nonché l’attività di enzimi rilevanti per la diagnostica e il sequenziamento, incluso un enzima CRISPR Cas che lega il suo Dna bersaglio. Illustra un’ampia gamma di applicazioni per tali sonde, compreso il potenziale per test COVID rapidi, per scoperta di farmaci e per la proteomica.
L’articolo presenta anche un sensore di elettronica molecolare in grado di leggere la sequenza del Dna. In questo sensore, una Dna polimerasi, l’enzima che copia il Dna, è integrata nel circuito e il risultato è l’osservazione elettrica diretta dell’azione di questo enzima mentre copia un pezzo di Dna, lettera per lettera. A differenza di altre tecnologie di sequenziamento che si basano su misure indirette dell’attività della polimerasi, questo approccio consente l’osservazione diretta e in tempo reale di un enzima della Dna polimerasi che incorpora nucleotidi. Il documento illustra come questi segnali di attività possono essere analizzati con algoritmi di apprendimento automatico per consentire la lettura della sequenza.
Cos’è l’elettronica molecolare
L’elettronica molecolare è quel ramo della nanotecnologia, che si occupa dello studio e dell’applicazione dei “mattoni molecolari” per la fabbricazione di componenti elettronici, sia passivi che attivi. Una ricerca interdisciplinare che abbraccia fisica, chimica e scienza dei materiali. La caratteristica unificante di questo settore è l’uso di mattoni molecolari per la fabbricazione di componenti elettronici, sia passivi (ad esempio i cavi resistivi) che attivi (per es. i transistor).
Il concetto di elettronica molecolare ha suscitato un grande entusiasmo per la prospettiva in elettronica di riuscire a lavorare a livello molecolare. Potrebbe così fornire i mezzi per estendere la legge di Moore oltre i limiti previsti nei convenzionali circuiti integrati al silicio.
Il trasferimento di carica nelle molecole
Lo studio del trasferimento di carica nelle molecole è stato avanzato negli anni ’40 da Robert Mulliken e Albert Szent-Gyorgi nei sistemi “donatore-accettore”, sviluppando dunque lo studio del trasferimento di carica e il trasferimento di energia nelle molecole. Nel 1974, Mark Ratner e Ari Aviram illustravano un raddrizzatore molecolare teorico. Più tardi, nel 1988, Aviram ha descritto in dettaglio un transistor a effetto di campo teorico a singola molecola. Ulteriori concetti sono stati proposti da Forrest Carter della Naval Research Laboratory, come ad es. le porte logiche a singola molecola.
Questi erano però tutti costrutti teorici e non dispositivi reali. La misura diretta delle caratteristiche elettroniche delle singole molecole dovrà attendere lo sviluppo di metodi specifici per fare connessioni elettriche su scala molecolare. Questo non è stato un compito facile. Così, il primo esperimento di misurazione della conduttanza di una singola molecola venne riportato solo nel 1997 da Mark Reed e collaboratori. Da allora, questo ramo del settore ha progredito rapidamente. Similmente, essendo diventato possibile misurare direttamente tali proprietà, le predizioni teoriche dei primi lavori nel campo sono state sostanzialmente confermate.
Tuttavia, mentre la maggior parte dei dispositivi elettronici molecolari operano nel regno quantico di meno di 100 nanometri, i processi elettronici “molecolari” spesso si manifestano collettivamente su scala macro. Esempi includono il tunneling quantico, la resistenza negativa, l’hopping assistito fononico, i polaroni e così via. Così, i dispositivi elettronici organici attivi su macro-scala sono stati descritti decenni prima di quelli su scala molecolare. Ad esempio, nel 1974, John McGinness e i suoi collaboratori hanno descritto la “prima dimostrazione sperimentale di un dispositivo elettronico molecolare operante”, era un interruttore che controllava la tensione elettrica. Come elemento attivo, il dispositivo utilizzava la Dopa-melanina, un polimero misto ossidato di poliacetilene, polipirrolo e polianilina. Lo stato “On” di questo interruttore mostrava una conduttività quasi metallica.
Fin dagli anni ’70, gli scienziati hanno sviluppato tantissimi nuovi materiali e dispositivi. Questi risultati hanno aperto la porta all’elettronica della plastica e all’optoelettronica, oltre che, ad esempio, dispositivi a trasferimenti di carica, ai polimeri conduttori, ai nano tubi di carbonio.
Teoria dei dispositivi a singola molecola
La teoria dei dispositivi a singola molecola è particolarmente interessante in quanto il sistema in esame è un sistema quantico aperto, in non-equilibrio (azionato da tensione). Nel regime di bassa tensione di polarizzazione, la natura del non-equilibrio della giunzione molecolare può essere ignorata, e le caratteristiche della tensione e della corrente del dispositivo possono essere calcolate utilizzando la struttura elettronica di equilibrio del sistema. Tuttavia, in regimi di più forte polarizzazione è necessario un trattamento più sofisticato, in quanto non vi è più un principio variazionale.
Nel caso del tunneling elastico (dove l’elettrone di passaggio non scambia energia con il sistema), può essere usato il formalismo di Rolf Landauer per calcolare la trasmissione attraverso il sistema in funzione della tensione di polarizzazione, e quindi la corrente.
Nel tunneling anelastico, un formalismo elegante basato sulle funzioni di Green di non-equilibrio di Leo Kadanoff e Gordon Baym e, indipendentemente da Leonid Keldysh, è stato portato avanti da Ned Wingreen e Yigal Meir. Questa formulazione di Meir-Wingreen è stata utilizzata per un grande successo nella comunità di elettronica molecolare per esaminare i casi più difficili e interessanti dove l’elettrone transiente scambia energia con il sistema molecolare (ad esempio mediante accoppiamento elettrone-fonone o eccitazioni elettroniche).
I recenti progressi nel campo della nanotecnologia e della nanoscienza hanno facilitato studi sperimentali e teorici riguardo all’elettronica molecolare. In particolare, lo sviluppo del microscopio a effetto tunnel (STM) e in seguito del microscopio a forza atomica (AFM) ha facilitato la manipolazione di prodotti di elettronica a singola molecola.
Un amplificatore a molecola singola è stato realizzato da C. Joachim e J.K. Gimzewski all’IBM di Zurigo. Questo esperimento coinvolgente una singola molecola di C60 ha dimostrato che questa è in grado di fornire un “guadagno” dell’amplificatore, in un circuito semplicemente giocando con gli effetti di interferenza quantistica intramolecolare del C60.
