Instrument for High-Speed Electron Tunneling Measurements
- Reference number
- ITM17-0049
- Start and end dates
- 190101-221231
- Amount granted
- 7 999 326 SEK
- Administrative organization
- KTH - Royal Institute of Technology
- Research area
- Information, Communication and Systems Technology
Summary
Realizing the tremendous potential of personalized medicine requires knowing the genome of individual patients. However, current DNA sequencing technologies are still too slow and expensive for sequencing genomes for healthcare practice on a large scale. There is, therefore a critical need for a new sequencing technology that has the potential to sequence the full human genome within 1 hour for less than US$100. DNA sequencing using electron tunneling detection is one of the post promising methods to achieve this goal. In this approach, molecular strands are decoded by moving them through nanogaps formed between pairs of nanoelectrodes embedded in nanopores while sending a tunneling current between the electrodes. However, to research this technology an instrument is needed that can read out the extremely small tunneling currents at very high speeds (10-100 MHz), which does not exist today. To address this need, we propose to develop an instrument for electron tunneling measurements, combining custom high-speed read-out electronics, signal processing, and electron tunneling sensors for biomolecule detection. This instrument development project will pave the way for exciting new research on next-generation high-throughput and low-cost sequencing of DNA, RNA and peptides, which has the potential to achieve significant advancements within biology, life-science and clinical practice, thereby having significant scientific, societal and commercial impacts.
Popular science description
Den genetiska koden finns lagrad i varje cell i form av långa DNA-molekyler. DNA-molekylen är uppbyggd av fyra nukleotider vars ordning bestämmer organismens utveckling och funktioner. Med hjälp av DNA-sekvenseringsmetoder kan man kartlägga organismens arvsmassa samt upptäcka avvikelser som t ex specifika sjukdomar. Dagens sekvenseringsmetoder är mycket kraftfulla och används rutinmässigt för kartläggning och undersökning av genomet. Dock är dessa metoder förhållandevis långsamma och kräver omfattande och tidsödande förbehandling av DNA-provet som skall analyseras. I den nu pågående utvecklingen av den nästa generationens DNA-sekvenseringsplattformar är målet att DNA-sekvensen kan bestämmas genom att DNA-strängen fås att passera genom ett ytterst litet hål i storleksordningen ett par nanometer samtidigt som man elektriskt detekterar de olika nukleotider som passerar hålet. Detta medför att sekvenseringen kan göras snabbare samt utan komplicerade DNA-prepareringssteg. Vidare kan dessa sekvenseringsmaskiner göras väsentligt mindre vilket möjliggör billigare och mer patientnära undersökningar. En särskilt intressant detekteringsteknik är att man låter DNA-strängen passera mellan två stycken elektriskt förspända elektroder med ett avstånd på några enstaka nanometer samtidigt som man mäter den så kallade tunnelströmmens variationer. I detta projekt kommer vi att utveckla ett avancerat instrument för biomolekylavkänning genom användning av elektrontunnelsensorer och höghastighetsavläsningselektronik, som inte existerar idag. Det föreslagna projektet ligger i den absoluta frontlinjen av den internationella mätsystemteknik och nanoteknikforskningen och dess resultat kommer att ha stor inverkan och bidra till den internationella synligheten för Sverige.