第一个分子电子芯片已经开发出来，实现了50年来将单分子集成到电路中以达到摩尔定律的最终扩展极限的目标。该芯片由罗斯威尔生物技术公司和一个由领先的学术科学家组成的多学科团队开发，它使用单分子作为电路中的通用传感器元件，创建了一个可编程的生物传感器，具有实时、单分子灵敏度和传感器像素密度的无限扩展性。这项创新本周出现在《美国国家科学院院刊》（PNAS）的一篇同行评审文章中，它将为从根本上基于观察分子相互作用的各种领域的进步提供动力，包括药物发现、诊断、DNA测序和蛋白质组学。

共同作者、莱斯大学化学教授、分子电子学领域的先驱Jim Tour博士说："生物学的工作原理是单分子相互交谈，但我们现有的测量方法无法检测到这一点。"本文所展示的传感器首次让我们聆听到了这些分子通信，使我们能够对生物信息有一个新的和强大的看法。

分子电子学平台由一个带有可扩展传感器阵列结构的可编程半导体芯片组成。每个阵列元件包括一个电流表，监测流经精确设计的分子线的电流，组装成跨度很大的纳米电极，将其直接耦合到电路中。该传感器通过一个中央的工程连接点，将所需的探针分子连接到分子线上，从而进行编程。观察到的电流提供了探针分子相互作用的直接、实时的电子读出。这些皮安级的电流对时间的测量以数字形式从传感器阵列中读出，速度为每秒1000帧，以高分辨率、高精度和高吞吐量捕获分子相互作用数据。

这项工作的目标是把生物传感放在未来精准医疗和个人健康的理想技术基础上，这不仅需要将生物传感放在芯片上，而且要以正确的方式，使用正确的传感器。我们已经将传感器元件预缩到分子水平，创建了一个生物传感器平台，它将一种全新的实时、单分子测量与一个长期的、无限扩展的路线图结合起来，以实现更小、更快、更便宜的测试和仪器。

新的分子电子平台在单分子尺度上实时检测多原子分子的相互作用。PNAS论文介绍了一系列广泛的探针分子，包括DNA、适配体、抗体和抗原，以及与诊断和测序有关的酶的活性，包括CRISPR Cas酶与其目标DNA结合。它说明了这种探针的广泛用途，包括快速COVID测试、药物发现和蛋白质组学的潜力。

该论文还介绍了一种能够读取DNA序列的分子电子传感器。在这种传感器中，DNA聚合酶，即复制DNA的酶，被集成到电路中，其结果是直接用电观察这种酶在逐个字母地复制一段DNA时的动作。与其他依靠间接测量聚合酶活性的测序技术不同，这种方法实现了对DNA聚合酶结合核苷酸的直接、实时观察。该论文说明了如何用机器学习算法分析这些活性信号，以实现对序列的读取。

罗斯威尔测序传感器提供了一种新的、直接观察聚合酶活性的方法，有可能在速度和成本上推动测序技术的额外数量级，这种超可扩展的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Exabyte规模的DNA数据存储）提供了可能性。