Les scientifiques visent globalement à contrôler les réactions chimiques, un objectif ambitieux qui nécessite d'identifier les étapes suivies par les réactifs initiaux pour arriver aux produits finaux au fur et à mesure que la réaction a lieu. Alors que ce rêve reste à réaliser, les techniques pour sonder les réactions chimiques sont devenues suffisamment avancées pour le rendre possible. En réalité, les réactions chimiques peuvent désormais être surveillées sur la base du changement des propriétés électroniques d'une seule molécule ! Grâce au microscope à effet tunnel (STM), c'est aussi simple à réaliser. Pourquoi ne pas alors utiliser une approche à molécule unique pour découvrir également les voies de réaction ?

Avec cet objectif, scientifiques de l'Institut de technologie de Tokyo, Le Japon a décidé d'explorer l'"hybridation" de l'ADN (formation d'un ADN double brin à partir de deux ADN simple brin) en mesurant les changements de conductivité électrique d'une molécule unique à l'aide d'un STM. "Les enquêtes sur une molécule unique peuvent souvent révéler de nouveaux détails sur les processus chimiques et biologiques qui ne peuvent pas être identifiés dans une collection en vrac de molécules en raison de la moyenne du comportement des molécules individuelles, " explique le Pr Tomoaki Nishino, qui faisait partie de l'étude, récemment publié dans Sciences chimiques .

Les scientifiques ont attaché un ADN simple brin (ADNsb) à une pointe STM en or et ont utilisé un film d'or plat pour y coller le brin complémentaire via un processus appelé "adsorption". Ils ont ensuite appliqué une tension de polarisation entre la pointe STM revêtue et la surface en or et ont amené la pointe extrêmement près de la surface sans la toucher (Fig. 1). Cette, à son tour, a permis à un courant de circuler dans l'espace intermédiaire en raison d'un processus connu sous le nom de « effet tunnel quantique ». Les chimistes ont surveillé la variation temporelle de ce courant tunnel alors que les brins d'ADN interagissaient les uns avec les autres.

L'équipe a obtenu des traces de courant représentant des régions de plateau formées de pentes abruptes et de baisses ultérieures du courant tunnel. Plus loin, ces plateaux ne se sont pas formés lorsque la surface de l'or n'a pas été modifiée avec de l'ADNsb ou a été modifiée avec un brin non complémentaire. Basé sur ceci, les scientifiques ont attribué les plateaux à la formation d'un ADN double brin (ADNdb) résultant de l'hybridation de l'ADNsb sur la pointe et la surface du STM. De manière équivalente, ils ont attribué la diminution brutale du courant à la rupture ou à la « déshybridation » de l'ADNdb due à l'agitation thermique.

L'équipe a ensuite étudié la cinétique (évolution temporelle de la réaction) des processus de déshybridation et d'hybridation à l'aide de résultats expérimentaux et de simulations de dynamique moléculaire. Le premier a révélé un plateau de conductance indépendant de la concentration d'ADN, confirmant que les mesures actuelles reflétaient la conductance d'une molécule unique, tandis que ce dernier suggérait la formation d'un intermédiaire d'ADN partiellement hybridé qui ne pouvait pas être détecté à partir de la conductance seule.

De façon intéressante, l'efficacité d'hybridation était plus élevée pour les échantillons à forte concentration d'ADN, contredisant les conclusions d'une étude précédente réalisée avec une solution d'ADN ss en vrac. Les chimistes ont attribué cette observation à l'absence de diffusion massive dans leur étude.

"Ces nouvelles informations devraient contribuer à améliorer les performances de nombreux diagnostics basés sur l'ADN, " observe le Pr Nishino, enthousiasmé par les résultats, "En outre, notre méthode peut être étendue à l'étude des réactions chimiques intermoléculaires entre une variété de molécules simples, permettant une compréhension mécaniste des réactions chimiques ainsi que la découverte d'une nouvelle réactivité chimique du point de vue d'une seule molécule."