Illustration d'une puce de détection SNP à base de graphène transmettant sans fil un signal à un smartphone. Crédit :Lal et al.
Une équipe dirigée par l'Université de Californie à San Diego a développé une puce capable de détecter un type de mutation génétique connue sous le nom de polymorphisme nucléotidique unique (SNP) et d'envoyer les résultats en temps réel à un smartphone, ordinateur, ou autre appareil électronique. La puce est au moins 1, 000 fois plus sensible à la détection d'un SNP que la technologie actuelle.
L'avance, publié le 9 juillet dans Matériaux avancés , pourrait conduire à moins cher, des biocapteurs plus rapides et portables pour la détection précoce de marqueurs génétiques de maladies telles que le cancer.
Un SNP est le changement d'une seule base nucléotidique (A, C, G ou T) dans la séquence d'ADN. C'est le type de mutation génétique le plus courant. Alors que la plupart des SNP n'ont pas d'effet perceptible sur la santé, certains sont associés à un risque accru de développer des conditions pathologiques telles que le cancer, Diabète, cardiopathie, troubles neurodégénératifs, maladies auto-immunes et inflammatoires.
Les méthodes traditionnelles de détection des SNP ont plusieurs limites :elles ont une sensibilité et une spécificité relativement faibles; ils nécessitent une amplification pour obtenir plusieurs copies pour la détection; ils nécessitent l'utilisation d'instruments encombrants; et ils ne peuvent pas fonctionner sans fil.
Le nouveau biocapteur d'ADN développé par l'équipe dirigée par l'UC San Diego est une puce sans fil qui est plus petite qu'un ongle et peut détecter un SNP présent dans des concentrations picomolaires en solution.
« La détection électrique de l'ADN sur puce miniaturisée pourrait permettre la détection sur le terrain et à la demande de séquences d'ADN et de polymorphismes spécifiques pour un diagnostic ou un pronostic rapide des crises sanitaires en cours, y compris les épidémies d'infection virale et bactérienne, " dit Ratnesh Lal, professeur de bio-ingénierie, génie mécanique et science des matériaux à la UC San Diego Jacobs School of Engineering.
La puce capture essentiellement un brin d'ADN contenant une mutation SNP spécifique, puis produit un signal électrique qui est envoyé sans fil à un appareil mobile. Il se compose d'un transistor à effet de champ en graphène avec un morceau d'ADN double brin spécialement conçu attaché à la surface. Ce morceau d'ADN est plié près du milieu et en forme de pince à épiler. Un côté de ces soi-disant "pinces à ADN" code pour un SNP spécifique. Chaque fois qu'un brin d'ADN avec ce SNP s'approche, il se lie à ce côté de la pince à ADN, les ouvrir et créer un changement de courant électrique qui est détecté par le transistor à effet de champ au graphène.
Caricature comparant le déplacement des brins d'ADN à l'aide de la pince à ADN (en haut) par rapport à la sonde d'ADN intégrée à la puce précédente (en bas). Crédit :Deependra Kumar Ban
Le projet est dirigé par Lal et implique des équipes de l'Institute of Engineering in Medicine de l'UC San Diego, Académie chinoise des sciences en Chine, Université de Pennsylvanie, Institut Max Planck de chimie biophysique en Allemagne, et l'Université agricole de Mongolie intérieure en Chine.
Déplacement de brin d'ADN
Le moteur de cette technologie est un processus moléculaire appelé déplacement de brin d'ADN, lorsqu'une double hélice d'ADN échange l'un de ses brins contre un nouveau brin complémentaire. Dans ce cas, les pinces à ADN échangent un de leurs brins contre un avec un SNP particulier.
Ceci est possible grâce à la manière particulière dont les pinces à ADN sont conçues. L'un des brins est un brin "normal" qui est attaché au transistor au graphène et contient la séquence complémentaire d'un SNP spécifique. L'autre est un brin "faible" dans lequel certains des nucléotides sont remplacés par une molécule différente pour affaiblir ses liaisons avec le brin normal. Un brin contenant le SNP est capable de se lier plus fortement au brin normal et de déplacer le brin faible. Cela laisse la pince à ADN avec une charge électrique nette qui peut être facilement détectée par le transistor au graphène.
Puce de détection SNP nouvelle et améliorée
Ce travail s'appuie sur la première puce électronique de détection de SNP sans marquage ni amplification que l'équipe de Lal a précédemment développée en collaboration avec Gennadi Glinksy, chercheur à l'Institut d'ingénierie en médecine de l'UC San Diego, et d'autres chercheurs de l'UC San Diego. La nouvelle puce a ajouté une capacité sans fil et est d'au moins 1, 000 fois plus sensible que son prédécesseur.
Ce qui rend la nouvelle puce si sensible, c'est la conception de la pince à ADN. Lorsque le brin contenant le SNP se lie, ça ouvre la pince à ADN, changer leur géométrie pour qu'elles deviennent presque parallèles à la surface du graphène. Cela rapproche la charge électrique nette de l'ADN de la surface du graphène, donner un signal plus fort. En revanche, la sonde ADN intégrée à la puce précédente a une structure qui ne peut pas être rapprochée de la surface du graphène, il génère donc un signal plus faible lors de la liaison d'un brin contenant du SNP.
Les prochaines étapes incluent la conception de puces matricielles pour détecter jusqu'à des centaines de milliers de SNP en un seul test. Les futures études consisteront à tester la puce sur du sang et d'autres échantillons de fluides corporels prélevés sur des animaux ou des humains.
