W 1999 r. chemik z Rice University, Jim Toure, miał wielkie marzenia. Był współzałożycielem Molecular Electronics Corporation, która chciała wykorzystać pojedyncze molekuły do ​​stworzenia nowego typu pamięci elektronicznej. W 2000 roku przewidziała trasę koncertową magazynu przewodowy Przyszłość, w której elektronika molekularna przewyższy obwody oparte na krzemie i sprawi, że chipy komputerowe będą gęstsze i wydajniejsze. Ale ta wizja była krótkotrwała: pięć lat później flash podbił rynek pamięci, krzem nadal dominował w technologii chipowej, a Tor opuścił pole elektroniki molekularnej. Dobrze finansowana dziedzina prawie się rozpadała.

Teraz start-up Roswell Biotechnologies z San Diego ma nadzieję dać elektronice molekularnej drugą szansę. Wycieczka zasiada w Naukowej Radzie Doradczej Roswell i jest gotowa. „Cały czas mówię, że to może działać” – mówi.

Zamiast celować w obwody komputerowe, Roswell koncentruje się na integracji pojedynczych cząsteczek w elektroniczne obwody bioczujników. Wielu ma nadzieję, że takie podejście wkrótce zapewni tani i wygodny sposób wykrywania wirusów, śledzenia toksyn środowiskowych i oceny działania leków w czasie rzeczywistym.

16 000 biosensorów na chipie półprzewodnikowym

w styczniu Firma ogłosiła krytyczny awans w branżowym magazynie „PNAS”: Zawierał tablicę 16 000 funkcjonalnych bioczujników molekularnych w pełni zintegrowanych z układami półprzewodnikowymi. To pokazuje, że te chipy mogą być produkowane na skalę komercyjną przy użyciu obecnych metod produkcyjnych i mogą kosztować zaledwie kilka dolarów każdy, według Barry’ego Merrimana, współzałożyciela i dyrektora naukowego Roswell.

„To świetna koncepcja. Myślę, że dla producentów chipów jest już za późno, aby zrobić coś dla nas w naukach przyrodniczych” – powiedział Nils Walter, chemik z University of Michigan i współzałożyciel aLight Sciences. Firma ta opracowuje również pojedyncze cząsteczki jako bioczujniki, ale z tą różnicą, że do odczytywania wyników wykorzystują one fluorescencję, czyli emisję światła, a nie sygnały elektryczne.

Roswell nie jest jedyną firmą opracowującą bioczujniki oparte na chipach. Na przykład firma Dynamic Biosensors z siedzibą w Monachium oferuje chipy z czujnikami opartymi na DNA, które działają ze światłem. Jednak podejście produkcyjne Roswell zapewnia czujniki, które są wystarczająco dokładne i elastyczne, aby można było stworzyć „uniwersalny bioczujnik”, który można masowo produkować przy użyciu nowoczesnych technik wytwarzania chipów, mówi Merriman.

Sercem obwodu Roswell jest drut molekularny, złożony z łańcucha aminokwasów, który jest przymocowany do reszty chipa – tak jak zwykły metalowy drut. Aby stworzyć czujnik, tester dołącza cząsteczkę do drugiego końca przewodu. Kiedy ta cząsteczka wchodzi w interakcję z zamierzonym celem, którym może być nić DNA, przeciwciało lub inna biologicznie istotna cząsteczka, zmienia się jej przewodnictwo elektryczne. Chip rejestruje tę zmianę, a program wyodrębnia odpowiednie szczegóły interakcji.

Aby zmontować tysiące czujników, Roswell wykorzystuje potencjał elektryczny do wyciągania molekuł z roztworu na chip krzemowy wyposażony w prefabrykowane nanoelektrody. Ta część procesu montażu zajmuje mniej niż dziesięć sekund. W przeszłości podobne procesy molekularne trwały godziny, a nawet dni.

Nowa nadzieja dla elektroniki molekularnej

Podejście Roswell może rozbudzić nadziejeWprowadzony przez naukowców do elektroniki molekularnej 20 lat temu. W tamtym czasie wydawało się, że mały rozmiar cząstek może pomóc w zmniejszeniu i zagęszczeniu elementów obwodów w chipach komputerowych. Co ciekawe, producent chipów molekularnych mógłby w zasadzie „samodzielnie składać obwody”, dodając cząsteczki w ściśle kontrolowanych warunkach i pozwalając im łączyć się w pożądane struktury, wyjaśnia genetyk z Harvardu, George Church, również członek zarządu. Doradca naukowy Roswell.

Ekscytacja tymi właściwościami molekularnymi doprowadziła do szybkiego rozwoju elektroniki molekularnej pod koniec lat 90. XX wieku. Wydawało się, że to idealny moment. „W latach 80. i 90. oczekiwano, że krzem osiągnie swoje granice” — wspomina Tour. Ale to nie była prawda; Inżynierowie nadal nad tym pracowali. „Nie strzelaliśmy do ustalonego celu”, mówi. „Krzem nabierał coraz większej siły”. Późniejszy spadek elektroniki molekularnej był bardzo ekscytujący, mówi Philip Collins, fizyk z University of California w Irvine, który wcześniej doradzał Roswell: „Powiedziałbym, że dziewięciu na dziesięciu badaczy odpadło”.

Wraz z nowym chipem Roswell szuka teraz zastosowania, w którym krzem nie pasuje. Cząsteczki są wyjątkowe, ponieważ „mogą być znacznie bardziej złożone niż binarne” – mówi Collins. „Mogą zakodować wszystkie te różne interesujące stany, jak w biochemii, do których nie możemy dotrzeć w żaden inny sposób”.

Nowe spostrzeżenia Roswell i innych producentów technologii molekularnych na chipach obejmują bioczujniki, które umożliwiają sprawdzanie parametrów życiowych, takich jak poziom witamin lub oznaki infekcji, przy nieco większym wysiłku niż obecnie, aby sprawdzić tętno na smartwatchu. W przypadku Roswell tysiące bioczujników mogą jednocześnie wykrywać różne interakcje molekularne, a chipy można odrzucić.

Według Nilsa Waltera z University of Michigan, podczas gdy urządzenie Roswell może mieć ponad 10 000 biosensorów na chipie, setki tysięcy lub miliony więcej zapewnią mu większą funkcjonalność rynkową. Zwłaszcza jeśli chodzi o wykrywanie niskiego poziomu biomarkerów we wczesnych stadiach choroby.

Kapitał inwestycyjny nie płynie

Komercyjny rynek biotechnologii nie jest nowym obszarem dla liderów Churcha, Merrimana i innych korporacji. Jednak doświadczenie i wiedza zespołu z Roswell nie sprawiły, że finansowanie firmy było tak łatwe, jak miał nadzieję pewnego dnia Paul Molla, dyrektor zarządzający. Po założeniu firmy w styczniu Mola spodziewał się swobodnego przepływu kapitału wysokiego ryzyka. Ale to nie była prawda. Chociaż Roswell pozyskał do tej pory ponad 60 milionów dolarów, głównie od inwestorów strategicznych i przedstawicieli zamożnych rodzin, w lutym firma była zmuszona zwolnić prawie połowę swoich pracowników.

Mola jest sfrustrowany brakiem inwestycji w firmę, która, jak mówi, ma zostać skomercjalizowana. „Czujemy, że zrobiliśmy dużo przy bardzo małej ilości” – mówi. „Teraz naprawdę potrzebujemy wsparcia społeczności i bycia z nami po drodze”. Nie tak, czarnoskóry przedsiębiorca częściowo przypisuje problematycznemu zapisowi różnorodności przemysłu biotechnologicznego. „Jeśli myślisz o przedsiębiorcach i założycielach, zwykle mają oni przedsiębiorcę w swojej rodzinie, mają sieci i dostęp do inwestorów. Z systemowego i fundamentalnego punktu widzenia czarni założyciele nie mają” – mówi Mola. Nie masz tego.”

Roswell wciąż jest na dobrej drodze do wprowadzenia komercyjnego urządzenia do końca roku, mówi Mola. Startup niedługo rozpocznie kolejną rundę finansowania. Wprowadza również usługę, która może przyciągnąć klientów, zanim firma będzie mogła sprzedać swoje ostateczne chipy: oferuje naukowcom wysyłanie próbek do Roswell i pozwalanie bioczujnikom molekularnym wykonać pracę za nich — w celu zebrania cennych danych na temat zadań w czasie rzeczywistym nowych, na przykład zbieranie narkotyków.

Dla Toura praca Roswell nadal jest symbolem odrodzenia elektroniki molekularnej: „Miło jest widzieć, jak coś się dzieje i powiedzieć: OK, zadziałało, zajęło nam to dłużej niż myśleliśmy”.

(vsz)