Chip điện tử phân tử đầu tiên “cách mạng hóa” việc kiểm tra bệnh tật, sàng lọc nhiều loại bệnh cùng một lúc từ thiết bị di động

Lấy cảm hứng từ nhu cầu kiểm tra COVID-19 nhanh hơn, hai nhóm nghiên cứu đã đạt được một bước đột phá: chip cảm biến sinh học CMOS mới hứa hẹn giải trình tự DNA cầm tay và nhanh chóng và kiểm tra virus / kháng thể.

Điều gì sẽ xảy ra nếu chúng ta có thể kiểm tra nhiều bệnh truyền nhiễm hoặc các chủng virus cùng một lúc trên một thiết bị cầm tay? Mặc dù nghe có vẻ giống như công nghệ tương lai, nhưng hai công ty - Roswell Biotechnologies và Imec - có thể đã tìm ra bước đầu tiên trong một giải pháp như vậy. Cả hai đối tác đều nhận thấy nhu cầu cấp bách về thử nghiệm COVID-19 nhanh chóng và đi sâu vào nghiên cứu điện tử phân tử.

Nhóm Roswell Biotechnologies. Ảnh chụp màn hình được sử dụng với sự hỗ trợ của  Roswell Biotechnologies

 

Cùng nhau, họ tuyên bố đã phát triển chip cảm biến sinh học điện tử phân tử đầu tiên để giám sát bệnh truyền nhiễm , giống như đại dịch hiện nay. Công nghệ này cũng có thể tạo ra thuốc chính xác và lưu trữ DNA.

EE được tham gia như thế nào trong y học chính xác?

Trong một bài báo gần đây, Robert Keim, cộng tác viên lâu năm của AAC đã thảo luận về bài toán hóc búa mà các kỹ sư điện trong lĩnh vực chăm sóc sức khỏe đặt ra khi thiết kế các thiết bị y tế cứu mạng được sử dụng để điều trị bệnh mãn tính . Trong một nhánh tương tự của cuộc thảo luận này, Roswell Biotechnologies giải thích rằng công ty cảm thấy bị thúc đẩy bởi mục tiêu của y học chính xác hoặc niềm tin rằng điều trị y tế nên được điều chỉnh cho phù hợp với từng cá nhân.

Chính xác thì quan hệ đối tác Roswell-Imec đóng góp như thế nào vào nỗ lực này ở cấp độ silicon?

"Chip điện tử phân tử đầu tiên"

Roswell Biotechnologies đã phát triển thứ mà họ tuyên bố là " chip điện tử phân tử đầu tiên " , sử dụng chế tạo nano để triển khai khả năng cảm biến phân tử trực tiếp lên các vi mạch CMOS. Các nhà nghiên cứu đã trực tiếp triển khai khả năng cảm biến lên một chip CMOS mà với sự trợ giúp của Imec, có thể Nguyên mẫu đầu tiên của Roswell về chip điện tử phân tử được thiết kế để đọc DNA.

Chip điện tử phân tử của Roswell. Hình ảnh được sử dụng với sự cung cấp của Roswell Biotechnologies

Paul Mola, Chủ tịch kiêm Giám đốc điều hành của Roswell Biotechnologies, mô tả động lực của ông trong dự án đang triển khai: "Nhu cầu cấp thiết về một thế hệ công cụ chẩn đoán và giám sát người tiêu dùng nhanh chóng, chi phí thấp, đã được thể hiện rất rõ ràng trong đại dịch COVID-19 hiện nay "

Ông tiếp tục, “Trong lĩnh vực đó, nền tảng điện tử phân tử Roswell sẽ biến đổi cách thức phát hiện các bệnh truyền nhiễm với các khả năng mới mạnh mẽ cho phép tầm soát nhanh chóng nhiều bệnh truyền nhiễm cùng một lúc, hoặc nhiều chủng vi rút, bằng các thiết bị di động hoặc cầm tay.”

Các phân tử đơn được tích hợp vào chip CMOS

Việc tích hợp một “công tắc” phân tử duy nhất vào chip CMOS có thể thay đổi hoàn toàn cuộc chơi. Tiến bộ này giúp loại bỏ nút thắt cổ chai chính cản trở việc thương mại hóa điện tử phân tử. Các nhà nghiên cứu Roswell đã khẳng định rằng một trong những dự án đang thực hiện của họ là tích hợp các phân tử vào các mạch nano trên chip — nhưng nỗ lực này không phải là không có thách thức. 

Roswell Biotechnologies mô tả nền tảng CMOS điện tử phân tử của mình là công nghệ "đột phá" có thể được sử dụng để giải trình tự DNA và lưu trữ dữ liệu DNA. Hình ảnh được sử dụng với sự cung cấp của Roswell Biotechnologies

Giám đốc khoa học của Roswell Biotechnologies, Tiến sĩ Barry Merriman, giải thích, “Mặc dù điện tử phân tử từ lâu đã được ca ngợi là một bước đột phá khoa học, nhưng khả năng thương mại của nó đã yêu cầu công nghệ này phải được đưa vào một chip bán dẫn tiêu chuẩn.” 

Tiến sĩ Merriman nói rằng với kinh nghiệm sản xuất chất bán dẫn và công nghệ cảm biến sinh học của Imec, họ cảm thấy tự tin vào khả năng thương mại hóa điện tử phân tử. 

Giải trình tự bộ gen trong vòng một giờ

Công nghệ điện tử phân tử mà hai nhóm phát triển đã được sử dụng trong một lần lặp lại trong một thiết bị có tên là  Hệ thống ENDSeq . Hệ thống này tiến hành giải trình tự thiết bị nano điện tử để giảm thời gian giải trình tự bộ gen người từ vài ngày xuống còn vài phút. Nó hoàn thành điều này bằng cách sử dụng cảm biến điện trực tiếp được phân phối "với tốc độ tổng hợp DNA tự nhiên."

Nền tảng Hệ thống ENDSeq, có thể tiến hành giải trình tự bộ gen một cách nhanh chóng. Hình ảnh được sử dụng với sự cung cấp của Roswell Biotechnologies

Tiến sĩ James M Tour, một chuyên gia về điện tử phân tử từ Đại học Rice, đóng một vai trò quan trọng trong nhóm nghiên cứu Roswell. Ông giải thích rằng chip điện tử phân tử nhỏ nhất có thể vì nó dựa trên một phân tử duy nhất .

Tiến sĩ Tour cũng đảm bảo rằng nhóm có thể xử lý tất cả dữ liệu lớn đi kèm với chip này và Hệ thống ENDSeq liên quan bằng cách sử dụng FPGA, GPU, CPU đa lõi và các bus dữ liệu tốc độ cao để xử lý và cung cấp thông tin về bộ gen người bên trong một giờ. Tiến sĩ Tour cũng tiết lộ rằng nhóm có lưu trữ dữ liệu ở quy mô exabyte.

Roswell và Imec tin rằng về cơ bản, họ đã chứng minh được khái niệm này. Các sản phẩm thương mại ban đầu dự kiến ​​sẽ được bán trực tuyến vào đầu năm sau.

Một Chén Thánh để Kiểm tra Bệnh tật?

Thế giới điện tử đầy rẫy những thứ so sánh nhất— "độc nhất vô nhị" và "đột phá". Nhưng do đại dịch hiện nay, tiềm năng của chip điện tử phân tử đứng trên phần còn lại. Nếu các “công tắc” phân tử thực sự có thể được kết hợp với các chip silicon, một khi quy mô sản xuất tăng lên, việc thử nghiệm COVID-19 có thể bước sang một giai đoạn hoàn toàn mới.

Phương pháp này có khả năng tìm kiếm trình tự di truyền của vi rút COVID-19, các kháng nguyên và các kháng thể liên quan của nó, và do đó, có thể giúp đưa ra các quyết định về sức khỏe cộng đồng. Nếu mầm bệnh nguy hiểm khác xuất hiện, mã sinh học mới có thể được trang bị lại bằng một bộ công tắc mới nhắm mục tiêu đến kẻ phạm tội đó.

---

Bạn làm việc trong lĩnh vực công nghệ sinh học? Nếu vậy, bạn đã thấy bất kỳ sự thay đổi thiết kế nào để đáp ứng nhu cầu COVID-19 chưa? Chia sẻ kinh nghiệm của bạn trong các bình luận bên dưới.