Une équipe de scientifiques dirigée par Jason Reed, physicien de la Virginia Commonwealth University, Doctorat., ont développé une nouvelle technologie de nanocartographie qui pourrait transformer la façon dont les mutations génétiques causant des maladies sont diagnostiquées et découvertes. Décrit dans une étude publiée aujourd'hui dans la revue Communication Nature , cette nouvelle approche utilise la microscopie à force atomique (AFM) à grande vitesse combinée à une technique de codage à barres chimique basée sur CRISPR pour cartographier l'ADN presque aussi précisément que le séquençage de l'ADN tout en traitant de grandes sections du génome à un rythme beaucoup plus rapide. De plus, la technologie peut être alimentée par des pièces trouvées dans votre lecteur DVD ordinaire.

Le génome humain est composé de milliards de paires de bases d'ADN. Démêlé, il s'étend sur une longueur de près de six pieds de long. Lorsque les cellules se divisent, ils doivent faire une copie de leur ADN pour la nouvelle cellule. Cependant, parfois, diverses sections de l'ADN sont copiées de manière incorrecte ou collées ensemble au mauvais endroit, conduisant à des mutations génétiques qui causent des maladies telles que le cancer. Le séquençage de l'ADN est si précis qu'il peut analyser des paires de bases individuelles d'ADN. Mais afin d'analyser de grandes sections du génome pour trouver des mutations génétiques, les techniciens doivent déterminer des millions de petites séquences puis les reconstituer à l'aide d'un logiciel informatique. En revanche, les techniques d'imagerie biomédicale telles que l'hybridation in situ par fluorescence (FISH) ne peuvent analyser l'ADN qu'à une résolution de plusieurs centaines de milliers de paires de bases.

La nouvelle méthode AFM à grande vitesse de Reed peut cartographier l'ADN à une résolution de dizaines de paires de bases tout en créant des images d'une taille pouvant atteindre un million de paires de bases. Et il le fait en utilisant une fraction de la quantité d'échantillon requise pour le séquençage de l'ADN.

"Le séquençage de l'ADN est un outil puissant, mais il reste assez coûteux et présente plusieurs limitations technologiques et fonctionnelles qui rendent difficile la cartographie efficace et précise de vastes zones du génome, " dit Jason Reed, Doctorat., chercheur principal de l'étude. Reed est membre du programme de recherche en génétique moléculaire du cancer du VCU Massey Cancer Center et professeur agrégé au département de physique du VCU College of Humanities and Sciences. « Notre approche comble le fossé entre le séquençage de l'ADN et d'autres techniques de cartographie physique qui manquent de résolution. Elle peut être utilisée comme méthode autonome ou elle peut compléter le séquençage de l'ADN en réduisant la complexité et les erreurs lors de l'assemblage des petits morceaux de génome analysés au cours de la processus de séquençage."

Les scientifiques d'IBM ont fait la une des journaux en 1989 lorsqu'ils ont développé la technologie AFM et utilisé une technique connexe pour réorganiser les molécules au niveau atomique pour épeler "IBM". L'AFM atteint ce niveau de détail en utilisant un stylet microscopique, semblable à une aiguille sur un tourne-disque, qui entre à peine en contact avec la surface du matériau étudié. L'interaction entre le stylet et les molécules crée l'image. Cependant, L'AFM traditionnel est trop lent pour les applications médicales et il est donc principalement utilisé par les ingénieurs en science des matériaux.

"Notre appareil fonctionne de la même manière que l'AFM, mais nous déplaçons l'échantillon devant le stylet à une vitesse beaucoup plus grande et utilisons des instruments optiques pour détecter l'interaction entre le stylet et les molécules. Nous pouvons atteindre le même niveau de détail que l'AFM traditionnel mais peut traiter le matériel plus de mille fois plus rapidement, " dit Reed, dont l'équipe a prouvé que la technologie peut être intégrée en utilisant l'équipement optique trouvé dans les lecteurs de DVD. « L'AFM à grande vitesse est parfaitement adapté à certaines applications médicales, car il peut traiter les matériaux rapidement et offrir une résolution des centaines de fois supérieure à celle des méthodes d'imagerie comparables. »

L'augmentation de la vitesse de l'AFM n'était qu'un obstacle que Reed et ses collègues ont dû surmonter. Afin d'identifier réellement les mutations génétiques dans l'ADN, ils ont dû développer un moyen de placer des marqueurs ou des étiquettes sur la surface des molécules d'ADN afin qu'ils puissent reconnaître les modèles et les irrégularités. Une solution de codage à barres chimique ingénieuse a été développée en utilisant une forme de technologie CRISPR.

CRISPR a récemment fait la une des journaux en ce qui concerne l'édition de gènes. CRISPR est une enzyme que les scientifiques ont pu "programmer" à l'aide d'ARN de ciblage afin de couper l'ADN à des endroits précis que la cellule répare ensuite d'elle-même. L'équipe de Reed a modifié les conditions de réaction chimique de l'enzyme CRISPR afin qu'elle ne colle qu'à l'ADN et ne le coupe pas réellement.

"Parce que l'enzyme CRISPR est une protéine qui est physiquement plus grosse que la molécule d'ADN, c'est parfait pour cette application de code-barres, " dit Reed. " Nous avons été étonnés de découvrir que cette méthode est efficace à près de 90 pour cent pour se lier aux molécules d'ADN. Et parce qu'il est facile de voir les protéines CRISPR, vous pouvez repérer des mutations génétiques parmi les schémas de l'ADN."

Pour démontrer l'efficacité de la technique, les chercheurs ont cartographié les translocations génétiques présentes dans les biopsies des ganglions lymphatiques des patients atteints de lymphome. Les translocations se produisent lorsqu'une section de l'ADN est copiée et collée au mauvais endroit dans le génome. Ils sont particulièrement répandus dans les cancers du sang tels que le lymphome, mais surviennent également dans d'autres cancers.

Bien qu'il existe de nombreuses utilisations potentielles de cette technologie, Reed et son équipe se concentrent sur les applications médicales. Ils développent actuellement un logiciel basé sur des algorithmes existants qui peuvent analyser des modèles dans des sections d'ADN d'une taille allant jusqu'à un million de paires de bases. Une fois complété, il ne serait pas difficile d'imaginer cet instrument de la taille d'une boîte à chaussures dans les laboratoires de pathologie aidant au diagnostic et au traitement des maladies liées aux mutations génétiques.