La puce électronique moléculaire Roswell utilise des molécules uniques comme éléments de détection universels dans un circuit pour créer un biocapteur programmable avec une sensibilité monomoléculaire en temps réel et une évolutivité illimitée de la densité des pixels du capteur. Crédit : Roswell
Une plate-forme pour la mesure unimoléculaire de la cinétique de liaison & ; l’activité enzymatique.
La première puce d’électronique moléculaire a été mise au point, concrétisant un objectif vieux de 50 ans, à savoir l’intégration de molécules uniques dans des circuits afin d’atteindre les limites 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 détection universels dans un circuit pour créer un biocapteur programmable avec une sensibilité monomoléculaire en temps réel et une évolutivité illimitée de la densité des pixels du capteur. Cette innovation, publiée cette semaine dans un article revu par les pairs dans la revue Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).permettra des avancées dans divers domaines qui sont fondamentalement basés sur l’observation des interactions moléculaires, y compris la découverte de médicaments, les diagnostics, etc, ADN le séquençage de l’ADN et la protéomique.
“La biologie fonctionne grâce à des molécules uniques qui communiquent entre elles, mais nos méthodes de mesure actuelles ne peuvent pas le détecter”, a déclaré le co-auteur Jim Tour, PhD, professeur de chimie à l’université Rice et pionnier dans le domaine de l’électronique moléculaire. “Les capteurs démontrés dans cet article nous permettent pour la première fois d’écouter ces communications moléculaires, ce qui permet une vision nouvelle et puissante de l’information biologique.”
La plateforme d’électronique moléculaire consiste en une puce semi-conductrice programmable avec une architecture de réseau de capteurs évolutive. Chaque élément du réseau est constitué d’un compteur de courant électrique qui surveille le courant circulant dans un fil moléculaire de précision, assemblé à des nanoélectrodes qui le couplent directement au circuit. Le capteur est programmé en attachant la molécule sonde souhaitée au fil moléculaire, via un site de conjugaison central conçu à cet effet. Le courant observé fournit une lecture électronique directe et en temps réel des interactions moléculaires de la sonde. Ces mesures de courant par rapport au temps à l’échelle du pico-ampère sont lues à partir du réseau de capteurs sous forme numérique, à une fréquence de 1000 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 cofondateur et directeur scientifique de Roswell, Barry Merriman, PhD, auteur principal de l’article. “Cela nécessite non seulement de mettre la biodétection sur la puce, mais aussi de la bonne manière, avec le bon type de capteur. Nous avons pré-réduit l’élément capteur au niveau moléculaire pour créer une plateforme de biocapteurs qui combine un type entièrement nouveau de mesure en temps réel, à l’échelle d’une seule molécule, avec une feuille de route à long terme et illimitée 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. L’article du PNAS présente un large éventail de molécules sondes, notamment de l’ADN, des aptamères, des anticorps et des antigènes, ainsi que l’activité d’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 le test rapide COVID, la découverte de médicaments et la protéomique.
L’article présente également un capteur d’électronique moléculaire capable de lire une séquence d’ADN. Dans ce capteur, une ADN polymérase, l’enzyme qui copie l’ADN, est intégrée au 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 aux autres technologies de séquençage qui reposent sur des mesures indirectes de l’activité de la polymérase, cette approche permet d’observer directement et en temps réel une enzyme ADN polymérase incorporant des nucléotides. L’article illustre comment ces signaux d’activité peuvent être analysés à l’aide d’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, ce qui pourrait 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 de l’Académie nationale des sciences et chercheur à Roswell.Membre du conseil consultatif scientifique. “Cette puce ultra évolutive ouvre la possibilité d’un séquençage hautement distribué pour la santé personnelle ou la surveillance de l’environnement, ainsi que pour les futures applications à ultra-haut débit telles que le stockage de données ADN à l’échelle de l’Exabyte.”
Référence : “Capteurs d’électronique moléculaire sur une puce semi-conductrice évolutive : A platform for single-molecule measurement of binding kinetics and enzyme activity” par Carl W. Fuller, Pius S. Padayatti, Hadi Abderrahim, Lisa Adamiak, Nolan Alagar, Nagaraj Ananthapadmanabhan, Jihye Baek, Sarat Chinni, Chulmin Choi, Kevin J. Delaney, Rich Dubielzig, Julie Frkanec, Chris Garcia, Calvin Gardner, Daniel Gebhardt, Tim Geiser, Zachariah Gutierrez, Drew A. Hall, Andrew P. Hodges, Guangyuan Hou, Sonal Jain, Teresa Jones, Raymond Lobaton, Zsolt Majzik, Allen Marte, Prateek Mohan, Paul Mola II, Paul Mudondo, James Mullinix, Thuan Nguyen, Frederick Ollinger, Sarah Orr, Yuxuan Ouyang, Paul Pan, Namseok Park, David Porras, Keshav Prabhu, Cassandra Reese, Travers Ruel, Trevor Sauerbrey, Jaymie R. Sawyer, Prem Sinha, Jacky Tu, A. G. Venkatesh, Sushmitha VijayKumar, Le Zheng, Sungho Jin, James M. Tour, George M. Church, Paul W. Mola et Barry Merriman, 24 janvier 2022, Actes de l’Académie nationale des sciences.
DOI : 10.1073/pnas.2112812119
A propos de Roswell Biotechnologies
Roswell Biotechnologies numérise la biologie avec l’électronique moléculaire pour prédire, prévenir et guérir les maladies. L’entreprise a développé la première puce électronique moléculaire au monde, la puce Roswell ME, qui intègre des molécules uniques dans la technologie standard des puces à semi-conducteurs pour fournir un biocapteur programmable qui fait converger une large gamme d’applications de biodétection et de mesures omiques sur une seule plate-forme. La plateforme ME de Roswell est commercialisée pour des applications de recherche et de découverte de médicaments, de diagnostic moléculaire, de séquençage et de stockage de données numériques sur l’ADN. Roswell Biotechnologies a été fondée en 2014 par des leaders de l’industrie des technologies génomiques et son siège social est situé à San Diego, en Californie.
