Highly Scalable CMOS-Integrated Nanopore Biomolecule Sensors
- Reference number
- STP19-0065
- Project leader
- Stemme, Göran
- Start and end dates
- 200601-250531
- Amount granted
- 10 000 000 SEK
- Administrative organization
- KTH - Royal Institute of Technology
- Research area
- Life Science Technology
Summary
Decoding, sensing and counting of biomolecules such as DNA, RNA and proteins on a single molecule level has profound impact on medical diagnostics, oncology, and drug development. Biological pores have been successfully used in DNA sequencing, but they exhibit disadvantages such as limited size-range and stability. Solid-state nanopores (SSNP) are a promising and versatile alternative to biological pores due to their superior stability, flexibility and compatibility with semiconductor technology. However, for wide deployment, SSNP have to be manufacturable with sub-nanometer precision in a scalable process - something that is not possible today. To overcome this problem, we will develop sub-3 nm diameter SSNP that can be manufactured in a scalable way by utilizing a unique approach based on nano-scale crack formation in thin layers, developed by us. We will explore important applications for these pores such as DNA mapping, single molecule assays and peptide fingerprinting using ionic and electronic current sensing employing closely integrated application specific integrated circuits for signal readout. For this project we have brought together a team of researchers from Sweden and Taiwan of the highest scientific standing and with complementary research expertise. If successful, our results will advance medical diagnostics, biology and life-science, thereby making a significant scientific and societal impact that will reach far beyond the 5-year duration of this project.
Popular science description
Avkodning, igenkänning och räkning av livets viktiga biomolekyler, såsom DNA, RNA och proteiner på nivån av en enda molekyl är mycket viktigt för att diagnostisera sjukdomar, till exempel cancer. Det är också avgörande för framtida läkemedelsutveckling. Biologiska proteinporer, finns naturligt i våra celler har tagits fram med genteknologi och nyligen anpassats för att användas vid DNA-sekvensering. Proteinporerna har tyvärr allvarliga brister såsom begränsat storleksintervall, begränsade anpassningsmöjligheter till olika biomolekyler och dålig stabilitet. Nanoporer tillverkade av fasta material, av samma typer som finns i modern elektronik, är ett lovande och potentiellt mycket mer mångsidigt alternativ till biologiska porer på grund av överlägsen stabilitet, flexibilitet och kompatibilitet med modern elektronik. För att kunna sprida denna teknologi måste dessa nya nanoporer vara tillverkningsbara med subnanometerprecision i en skalbar process - något som inte är möjligt idag. För att lösa detta problem kommer vi att utveckla nanoporer som har diameter under 3 nm i fasta material som kan tillverkas på ett skalbart sätt. Vi kommer använda ett unikt tillvägagångssätt som vi tagit fram baserat på sprickbildning i tunna skikt på nanoskala. Vi kommer att undersöka användbarheten av dessa porer för viktiga applikationer såsom DNA-mappning, enstaka molekylanalyser och peptidfingeravtryck med jonisk och elektronisk strömdetektion. För detta projekt har vi samlat ett team av forskare från Sverige och Taiwan med hög vetenskaplig komptens från kompletterande disipliner. Om projektet är framgångsrikt kommer våra resultat att främja medicinsk diagnostik, biologi och livsvetenskap och därmed göra en betydande vetenskaplig och samhällelig inverkan som kommer att nå långt utöver projektets varaktighet på fem år.