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2025-06-13 20:32:00
イリノイ大学アーバナシャンペーン校のグレインジャーエンジニアリング大学の研究者間の先駆的なパートナーシップは、単一分子検出のための新しいナノポアセンシングプラットフォームを生み出しました。彼らの調査結果、 pnas 、精密医療に影響を与える、固体、ラベルのないDNAシーケンス技術への道を開く。
ナノポアセンサーは、分子がナノメートルスケールの開口部を通過するときにイオン変化を測定することにより、個々の分子を検出および分析するために使用される小さなデバイスです。これらのセンサーは2つのタイプに分類されます。1つは生物学的材料に依存し、もう1つは無機固体材料に依存しています。生物学的ナノポアを使用したDNAシーケンスは現在市販されていますが、イリノイグレインジャーエンジニアは、固体材料を使用してこの技術を実現したいと考えていました。
「ソリッドステートナノポアは、ウェーハスケールの製造プロセスと互換性があるため、非常に並行して低コストのシーケンスに生物学的ナノポアよりも大きな利点を提供します」と、イリノイ州のグレインジャーポスドク研究者で論文の主著者であるシハンチェンは述べました。
ソリッドステートナノポアシーケンスの実現に向けた主な障害は、単一の分子が毛穴を通過し、分子の転座を電気的に読み出すため、基本ごとの解像度を達成するのに十分な小さなセンサーを作成することです。 2000年代後半、IBMはDNAトランジスタのアイデアを提案し、誘電体金属サンドイッチ構造と静電トラップで概念化され、同時にラチェット様の制御とDNA転座の検知を可能にしました。ただし、3D材料を使用して誘電体層によってカプセル化された超薄型金属フィルムの製造に伴う重要な課題のために、この構造は実験的に実現されませんでした。
「2D材料を使用してこのアイデアを再検討するまで、10年ほど固体DNAトランジスタのアイデアについて一時停止がありました」とチェンは言いました。
偶然にも、機械科学と工学および材料科学と工学の教授であるArend van Der Zandeと、Grainger College of Engineeringの学部長であるRashid Bashirとの間でコラボレーションが生まれました。どちらも材料研究室のメンバーです。ナノポアセンサーの分野の専門家であるバシールと、2D材料の分野の専門家であるファンデルザンデは、関心のある領域を組み合わせて新しいタイプのナノポアセンサーを提案することはタイムリーで重要であると信じていました。
新しく組み立てられた研究同盟は、3Dバイオセンサーの実現に対する障壁を特定することから始まりました。超薄い3D材料には、粗い表面があります。これは、電気性能を阻害し、分子転座に対する感度を制限するぶら下がった結合があります。研究者たちは、これらの制限は、ぶら下がっている結合のない単層として自然に存在するジスルフィドモリブデンやタングステンジスレニドなどの2D材料を使用することで克服できることを認識しました。
「私の研究室は、これらの単層を互いに積み重ねることを専門としており、サブナノメーターサイズのほぼすべての電子デバイスをエンジニアリングしています」とvan der Zandeは言いました。
研究者は、2Dヘテロ構造をナノポア膜に統合して、分子が通過するナノメートルの厚さ外ダイオードを作成しました。この革新的な設計により、DNA転座中のダイオードを介して電流の変化を同時に測定し、ダイオード全体に面積バイアスを適用してDNA転座の速度を制御できました。
新しいセンシングプラットフォームは実現するのに何年もかかりましたが、将来の精密医療で配当を支払うことが期待されています。数十億人の患者からゲノムデータを収集して、テーラード医学と治療レジメンを作成するには、エリートイリノイグレインジャーエンジニアリングチームが実証したような、迅速で信頼性の高い手頃な価格のシーケンス技術を必要とします。
「将来、私たちは内部にナノポアを備えた数百万の2Dダイオードのアレイを想像して、並行してDNAのシーケンスを読み上げ、シーケンス時間を2週間からわずか1時間に短縮します」とバシールは言いました。さらに、研究者の手法は、現在の方法と比較して10倍のシーケンスの価格を下げることができます。
今後、研究者は、P型およびN型2D単層の交互のスタックを利用して、現在のイテレーションの単一PN接合部を改善する次世代の研究を予想しています。これにより、DNA転座に対する制御の質が制限されます。 P型層の間にn型層をサンドイックする3層構造により、対向する電界がDNAを伸ばすことができ、基本バイベースのDNA転座制御の重要なマイルストーンを達成します。
それまでは、イリノイ州のグレインジャーの研究者の大国チームが彼らの労働の成果を楽しむでしょう。
「私たちは2Dエレクトロニクスのフロンティアにいます。これは、3Dナノポアセンシングのフロンティアに橋渡しをしています」とバシールは言いました。 「私たちは2つのフロンティアにいます。この交差点は、私たちのプロジェクトをユニークに挑戦的で信じられないほどやりがいのあるものにしています。」
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#イリノイ州の専門家は新しいナノポアセンシングテクノロジーのために団結しています