PNAS | 微型芯片检测生物分子单分子层面的相互作用

原创 图灵基因 图灵基因 2022-02-09 09:24

收录于话题#前沿分子生物学技术

分子医学和生物技术的成功依赖于以快速、灵敏和准确的方式测量各种样品中分子相互作用的能力。

在《Proceedings of the National Academy of Sciences》(PNAS) 上发表的一篇题为“Molecular electronics sensors on a scalable semiconductor chip: A platform for single-molecule measurement of binding kinetics and enzyme activity”的文章中，一个来自加州大学圣地亚哥分校、哈佛医学院、Rice大学和Roswell Biotechnologies的多学科团队的科学家们开发了第一款分子电子芯片，将单分子传感器集成到可编程生物传感器电路中，可实时检测具有单分子灵敏度和可扩展性的分子间的相互作用。

“这项工作实现了一个50年的科学愿景，即将单个分子集成到电子芯片中，以实现电子产品的最终小型化。”作者指出。

“移动电话极大地改变了通信方式。这是由半导体芯片技术驱动的。Roswell分子电子芯片提供了理想的数字生物传感器平台，并准备以类似的方式改变生物学。使用芯片意味着我们可以用低成本、智能、强大的全电子设备锁定所有人的可访问性。”Roswell Biotechnologies创始人、总裁兼首席执行官Paul Mola博士说。

这项创新有望推动各种生物技术领域的发现，例如药物发现、诊断、DNA测序和蛋白质组学，这些领域的发现得益于对生物分子物理相互作用的深入了解。

Rice大学化学教授、论文合著者Jim Tour博士说：“生物学是通过单分子相互对话来实现的，但我们现有的测量方法无法检测到这一点。本文首次展示的传感器让我们能够监听这些分子通信，从而获得全新而强大的生物信息视图。”

生物传感器装置是一种具有可伸缩阵列结构的半导体芯片，其中分子电路元件充当通用单分子传感器。一条合成的分子线——一条25纳米长的肽——连接电路中每个监测电流的元件中的纳米电极。

“我们在论文中展示的芯片有16000个独立的传感器，它们将独立监控我们向其公开的解决方案。”Roswell Biotechnologies的CSO Barry Merriman博士说。

生物传感器可以通过在中心结合位点将所需分子探针连接到分子线来进行编程。该站点定义了传感器的目标。阵列芯片以每秒1000帧的速率将阵列中每个元件的皮安级电流读数转换为数字信息。通过测试溶液中的探针和目标相互作用产生的电子信号，提供有关分子相互作用的直接实时数字数据，具有高分辨率、高通量和准确性。

Roswell Biotechnologies研究创新实验室负责人Carl Fuller博士表示，该技术“为了解生物分子如何相互作用提供了一个新的视角。”

重要的是，这个新平台可用于测量单个分子的平行相互作用动力，而无需任何标记阻碍相互作用的分子。传统的方法通常涉及标记相互作用的分子，这反过来又会影响相互作用。

“这项工作的目标是将生物传感技术作为未来精准医学和个人健康的理想技术基础。”Merriman说。

“这不仅需要在芯片上安装生物传感器，还需要以正确的方式使用正确的传感器。我们已将传感器元件预先缩小到分子水平，以创建一个生物传感器平台，该平台结合了全新的实时单分子测量和一个长期、无限扩展的路线图，以实现更小、更快和更便宜的测试和仪器。”Merriman补充道。

该生物传感器可容纳多种探针分子，包括DNA、适体、抗体、抗原和与诊断和测序相关的酶，例如结合靶DNA序列的CRISPR-Cas酶。这种多功能性使电子平台能够以单分子分辨率实时测量多组分子相互作用。因此，该生物传感器可用于多种应用，例如开发COVID-19试验和发现新药。

“Roswell测序传感器提供了一种新的、直接的聚合酶活性视图，有可能在速度和成本方面将测序技术提高几个数量级。”该论文的合著者、美国国家科学院院士、Roswell科学顾问委员会成员George Church博士说。

为了证明新平台的适用性，作者使用生物传感器读取DNA序列。他们使用了一个传感器芯片，其中DNA聚合酶（复制DNA的酶）被集成到电路中，结果是当这种酶一个字母一个字母地复制DNA片段时，直接对其行为进行电子观察。这种方法实现了DNA聚合酶结合核苷酸时直接、实时的序列读数。这些电信号可以通过机器学习算法进行分析，以便读取序列。

“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EB级DNA数据存储）提供了可能性。”Church补充道。

“这篇论文不仅展示了芯片上的DNA测序传感器或历史动机，还展示了该技术平台的全部功能，可提供可用于所有不同类型诊断的通用结合传感器，例如检测蛋白质或抗原、DNA或药物/小分子。研制这种传感器的通用性是受到大流行的推动。”Merriman说。

Merriman补充道，“开发和商业化论文中概述的许多主要应用——诊断、测序、药物发现、蛋白质组学、酶进化、下一代DNA微阵列——是下一步的一个主要领域。”