Défis des schémas de mesure potentiométriques pour la détection moléculaire sur un FET sous environnement ionique :formation de l'EDL, liaison non spécifique, et des récepteurs orientés au hasard. Crédit : Institut coréen des sciences et de la technologie (KIST)
Une équipe de recherche coréenne a développé avec succès une technologie de biocapteur exclusive avec une sensibilité moléculaire considérablement améliorée en utilisant la membrane lipidique artificielle qui imite la membrane cellulaire. L'équipe de recherche dirigée par le Dr Yong-Sang Ryu du Brain Science Institute et le Dr Chul Ki Kim du Sensor System Research Center, en collaboration avec l'équipe de recherche dirigée par le professeur Dong June Ahn du Département de génie chimique et biologique de l'Université de Corée, a développé une technologie pour améliorer la détectabilité moléculaire sur la surface potentiométrique du transistor à effet de champ (FET) via l'imperméation des ions à travers la membrane lipidique.
Il a été quelque peu difficile de commercialiser la technologie de détection moléculaire basée sur le FET, une technologie de capteurs utilisant des signaux électriques, malgré ses avantages dans la détection de diverses molécules comme les virus, protéines, et l'ADN. Ceci est principalement dû aux plages de détection ultra-minces pour la détection moléculaire sous une concentration élevée d'ions ou de charge électrique de la solution d'analyte.
Par exemple, dans une goutte de sang, la plage efficace à partir de laquelle des molécules peuvent être détectées sur la sonde potentiométrique du capteur est d'environ 1 nm, qui est plus fine que la molécule à détecter et à analyser; donc, il est difficile de détecter le signal électrique, même si la molécule entre en contact avec la sonde de détection. Pour surmonter cet obstacle, les chercheurs ont essayé des stratégies comprenant la dilution de la solution d'analyte jusqu'à 100, 000 fois pour améliorer la détection moléculaire ; cependant, ces stratégies n'ont pas été couronnées de succès.
Par conséquent, l'équipe de recherche a proposé l'utilisation de la membrane modèle pour surmonter cet obstacle. La membrane cellulaire de l'homme contrôle non seulement la concentration ionique de l'environnement interne et externe, mais empêche également une forte concentration d'ions d'entrer dans la cellule. L'équipe s'est donc focalisée sur cette caractéristique spécifique du système membranaire cellulaire. Après des tests répétés pour appliquer la membrane cellulaire à la surface de la puce de détection moléculaire à base de FET, il a été confirmé que la détection de molécules est disponible sans prétraitement supplémentaire, même dans une solution ionique à haute concentration.
Illustration schématique de la longueur de Debye effective (λD′) avec contraste ionique à travers le SLB et changement de conformation lors de la liaison à l'avidine. Crédit : Institut coréen des sciences et de la technologie (KIST)
Avec cette nouvelle technologie, connu sous le nom de "FET enduit de membrane (FET lipidique), " les molécules en suspension dans une solution concentrée hautement ionique au niveau du sang humain peuvent être détectées avec une sensibilité plus élevée par rapport à celle du capteur existant, et dilution de la solution jusqu'à 100, 000 fois n'est pas nécessaire. Cela a été confirmé comme étant la performance la plus élevée parmi tous les FET signalés jusqu'à présent dans le monde. L'équipe de recherche s'attend à ce que cette technologie puisse être utilisée pour diagnostiquer diverses maladies liées à des problèmes tels que les protéines associées à la démence, mais c'est aussi une technologie de plate-forme avec une large applicabilité en tant que biocapteurs dans divers domaines, y compris la médecine, soins de santé, et l'environnement pour la détection des infections virales et des microplastiques.
Le Dr Yong-Sang Ryu de KIST a décrit les résultats de la recherche comme "la détection de molécules via un lipide-FET avec un contraste ionique à travers la membrane peut être instantanément appliquée à toutes les plates-formes de capteurs potentiométriques existantes qui utilisent un champ électrique pour détecter les molécules".
Le Dr Chul Ki Kim de KIST a déclaré :"Des études pour appliquer la technologie à divers domaines de recherche tels que les maladies connues pour être causées par des protéines mutées attachées aux membranes cellulaires comme la maladie d'Alzheimer, La maladie de Parkinson, et le diabète, et la technologie pour détecter rapidement et précisément un nombre extrêmement restreint de virus infectieux tels que le COVID-19 et la grippe sont menées en parallèle. »
Les résultats de la recherche ont été publiés dans le récent numéro de Communication Nature .
