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Elettronica molecolare: un nuovo biochip per il sequenziamento rapido e portatile del DNA

Una nuova classe di sensori è in svoluppo per effettuare test virali veloci e per il sequenziamento rapido del DNA. Scopriamo l'elettronica molecolare.

A cura di Antonino Pagano

Immagina di poter testare contemporaneamente molte malattie infettive su un singolo dispositivo portatile. Sebbene sembri una tecnologia futuristica, la Roswell Biotechnologies e la Imec stanno collaborando per rendere commerciabili i primi biochip ad elettronica molecolare a partire dal 2021.

Cos’è l’elettronica molecolare?

L’elettronica molecolare si occupa dello studio di singole molecole usate come componenti nei circuiti elettronici che svolgono diverse funzioni: resistori, interruttori o transistor. L’elettronica molecolare è un ramo della nanotecnologia in cui le molecole forniscono elementi circuitali alle dimensioni dei nanometri. Questo concetto è stato concepito per la prima volta negli anni ’70 ed i primi circuiti a singola molecola sono stati realizzati nei laboratori di ricerca negli anni ’90.

Un circuito con singole molecole integrate su chip CMOS

La Roswell Biotechnologies ha sviluppato un biochip elettronico che integra singole molecole usate come sensori su chip standard a semiconduttore; questa tecnologia permette la produzione di biosensori in grandi quantità. I nuovi chip fanno parte di una classe di sensori progettati per essere compatibili con i circuiti CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor).

elettronica molecolare
Biochip di Roswell. Credits: www.roswellbiotech.com

Secondo le dichiarazioni dei membri appartenenti ai due team, tali chip potranno essere realizzati a basso costo e consentiranno test biomedici ad alta velocità necessari per il sequenziamento del DNA e altri biomarcatori. Inoltre, questi potrebbero essere utili per rilevare l’infezione da COVID-19 ed altre malattie infettive.

Una barriera alla commercializzazione dell’elettronica molecolare è rappresentata dalla creazione di soluzioni personalizzate per la produzione su larga scala. L’azienda Imec con sede in Belgio ha sviluppato un nuovo processo tecnologico che si avvale di strumenti standard.

Il più grande ostacolo nella realizzazione di un chip ad elettronica molecolare è la fabbricazione di milioni di elettrodi su scala nanometrica sul singolo chip. Per irrompere nel mercato del sequenziamento del DNA, i biochip devono essere realizzati a basso costo. Una produzione a basso costo è possibile solo se la fabbricazione dei nanoelettrodi avviene nella stessa fonderia che produce il resto del circuito.

Ormai le moderne apparecchiature di fotolitografia sono in grado di realizzare delle strutture su scala nanometrica. La difficoltà per una produzione massiva dei biochip è in realtà rappresentata dall’acquisto di questi strumenti che costano centinaia di milioni di euro. Qui entra in gioco l’azienda Imec che ha fornito l’accesso agli strumenti fotolitografici in grado di realizzare i processi per sviluppare commercialmente e quindi su vasta scala i chip della Roswell Biotechnologies.

Sequenziamento rapido del genoma

La nuova tecnologia sviluppata dai due team è stata utilizzata all’interno di un dispositivo chiamato ENDSeq System. Questo sistema ridurrebbe i tempi di sequenza di un genoma umano da giorni a minuti.

elettronica molecolare
ENDSeq System (Electronic Nano-Device Sequencing). Credits: www.roswellbiotech.com

La piattaforma è in grado di gestire tutti i big data provenienti dal biochip utilizzando FPGA, GPU, CPU multi-core e un bus dati ad alta velocità, in questa maniera il sistema riesce a fornire informazioni sul genoma umano in meno di un’ora.

Un chip per rilevare l’infezione da coronavirus?

A causa dell’attuale pandemia, i biochip della Roswell potrebbero rappresentare un’alternativa veloce agli attuali tamponi. I test per rilevare l’infezione dal virus potranno essere completamenti rinnovati se i nuovi biochip verranno prodotti su larga scala. Questa tecnologia avrebbe il potenziale di individuare la sequenza genetica del virus COVID-19, gli antigeni e gli anticorpi associati.

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