Le séquençage rapide de l'ADN pourrait bientôt devenir une partie intégrante du dossier médical de chaque individu, fournissant d'énormes informations précédemment séquestrées dans les 3 milliards de bases nucléotidiques du génome humain. La section NEWSFOCUS de cette semaine du journal Science décrit les progrès récents de la technologie de séquençage.

Stuart Lindsay, directeur du Biodesign Institute’s Center for Single Molecule Biophysics, est à la pointe de cette recherche, avoir résolu avec succès une pierre d'achoppement centrale dans le séquençage des nanopores - la lecture de bases nucléotidiques uniques dans une chaîne d'ADN. Les derniers résultats expérimentaux de Lindsay, qui démontrent des améliorations critiques dans les lectures d'ADN, viennent de paraître dans le journal Nanotechnologie .

Une fois que le séquençage précis tombe en dessous du seuil de 1 $, 000 par génome, la technologie doit devenir omniprésente, selon beaucoup. Comme le suggère l'aperçu scientifique actuel, ce jour pourrait approcher car la vitesse et le coût du séquençage du génome entier progressent à un rythme dépassant la célèbre loi de Moore, (ce qui impose un doublement de la puissance de calcul – et une réduction de moitié des dépenses – tous les 18 mois).

La dernière compétition technologique implique l'idée d'enfiler un seul brin d'ADN à travers un minuscule, œillet à l'échelle moléculaire connu sous le nom de nanopore. Cette stratégie pourrait bientôt permettre de lire toute la séquence d'ADN en une seule fois, plutôt que de découper, déchiffré en brefs fragments et méticuleusement remonté.

Alors que le premier séquençage du génome humain a pris 13 ans et 3 milliards de dollars aux chercheurs, sous les auspices du Projet Génome Humain, l'exploit pourrait bientôt être accompli au rythme aveuglant de 6 milliards de bases nucléotidiques toutes les 6 heures pour un coût de 900 $. C'est du moins l'affirmation extravagante d'Oxford Nanopore Technologies, l'une des sociétés pionnières à l'origine de nouveaux développements de séquençage.

Depuis que l'idée apparemment chimérique du séquençage des nanopores a été imaginée pour la première fois au milieu des années 1990, d'énormes progrès ont été réalisés. L'idée de base est que lorsqu'un nanopore est immergé dans un fluide conducteur et qu'une tension est appliquée à ses bornes, la conduction des ions à travers le nanopore produira un courant électrique mesurable. Ce courant est très sensible à la taille et à la forme du nanopore et en théorie, chaque base nucléotidique du fil d'ADN obstruera le nanopore lors de sa migration, modifier le courant ionique de manière reconnaissable et reproductible.

Cependant, le « fil » d'ADN est un matériau difficile à manipuler – si fin qu'il faudrait environ 5 000 brins d'ADN placés côte à côte pour égaler la largeur d'un cheveu humain. Le simple fait de trouver un œillet approprié à cette échelle s'est avéré un défi. En premier, poreux, les protéines transmembranaires ont été explorées. Alpha hémolysine (αHL), une bactérie qui provoque la lyse des globules rouges, semblait un candidat particulièrement prometteur, étant donné le diamètre des nanopores requis pour le séquençage de l'ADN.

Depuis, d'autres portails à base de protéines pour l'ADN ont été bricolés et plus récemment, divers nanopores « à l'état solide » de silicium ou de graphène ont été étudiés. Ceux-ci peuvent être plus facilement fabriqués et leurs propriétés, contrôlé plus précisément.

Selon l'examen de la science de l'état actuel de l'art, le séquençage des nanopores "semble sur le point de quitter le laboratoire, " et le rêve d'un génome à 1000 $ est peut-être à portée de main, bien que des défis demeurent. Un problème persistant dans le séquençage des bases individuelles a été qu'elles ont tendance à traverser le nanopore trop rapidement pour localiser chaque base indépendamment. Au lieu, le courant mesuré dans les premières expériences reflétait la moyenne produite par un groupe de bases se frayant un chemin à travers le tunnel.

La technique de Lindsay repose sur la lecture du courant électrique dans un petit circuit composé d'un nucléotide d'ADN piégé entre une paire d'électrodes en or, qui s'étendent sur un nanopore. Les électrodes sont réalisées en fonctionnalisant la pointe d'un microscope à effet tunnel (STM), avec des molécules qui peuvent se lier à des bases d'ADN individuelles lorsqu'elles passent la tête à travers le nanopore.

Tunnel de reconnaissance, le nom Lindsay s'applique à sa méthode de séquençage, repose sur l'équipement de l'une des deux électrodes avec des produits chimiques de détection, l'autre avec la cible nucléotidique à détecter. Un signal est produit lorsque la jonction entre le produit chimique de détection et la cible s'auto-assemble, fermeture du circuit.

Dans ce type de jonction, où les longueurs séparant les électrodes sont à l'échelle moléculaire, les électrons peuvent présenter un comportement étrange associé au monde subatomique quantique, « tunnelage » à travers des barrières dans des conditions interdites par la physique classique. Dans un tel scénario, chacun des 4 nucléotides devrait produire un courant tunnel de signature, qui peut être utilisé pour séquencer l'ADN base par base lorsqu'il traverse le nanopore. Le piégeage de chaque base laisse momentanément le temps d'une identification précise, avant qu'il ne soit libéré et que le fil d'ADN continue sa transmigration à travers le nanopore.

Le remplacement du flux de courant ionique par un courant tunnel peut potentiellement améliorer considérablement la résolution du séquençage et, dans leurs derniers travaux, Le groupe de Lindsay démontre que l'analyse multiparamétrique des pointes de courant produites par l'effet tunnel peut en effet identifier chaque base d'ADN car elle est temporairement épinglée par une liaison hydrogène entre les électrodes fonctionnalisées.

Il y a plus.

En plus de localiser l'identité des nucléotides avec une précision supérieure à 90 %, la technique permet également d'identifier des modifications génétiques environnementales, par exemple, méthylation. Cela représente une avancée majeure pour le séquençage, comme de telles altérations épigénétiques du génome ont des implications profondes pour l'étude de la santé et des maladies humaines, y compris le développement embryonnaire et postnatal, et cancéreux.

L'article sur la nanotechnologie décrit une nouvelle approche pour analyser les signaux tunnel. Le groupe Lindsay a utilisé l'apprentissage automatique (le processus utilisé par Watson d'IBM pour gagner à Jeopardy) pour former un ordinateur à reconnaître les bases de l'ADN. La machine a appelé les quatre bases (A, T, C et G) ainsi que la « cinquième base » – méthyle – qui porte le code épigénétique, avec une précision de 96 pour cent sur une seule molécule lue.

« Oxford Nanopore a fait une énorme percée dans le séquençage des nanopores utilisant le courant ionique, comme souligné dans l'histoire de NEWSFOCUS, ", dit Lindsay. "Mais nous pensons que nous pouvons apporter encore plus à la table avec la supersensibilité et la résolution chimique du tunnel de reconnaissance."

Roche Pharmaceuticals a récemment autorisé la technologie.

La course aux enjeux élevés pour le séquençage rapide semble entrer dans la dernière ligne droite, bien que de nouvelles surprises soient probables avant la ligne d'arrivée. Une fois franchi, l'ère de la médecine personnalisée sera arrivée. Il est presque certain que de nombreuses nouvelles connaissances sur les bases génomiques de la santé et des maladies humaines suivront.