(PhysOrg.com) -- Un séquençage plus rapide de l'ADN recèle un énorme potentiel pour la biologie et la médecine, notamment pour un diagnostic et un traitement personnalisés en fonction de la constitution génomique de chacun. A l'heure actuelle cependant, la technologie de séquençage reste lourde et d'un coût prohibitif pour la plupart des applications cliniques, bien que cela puisse changer, grâce à un éventail de nouvelles techniques innovantes.

Dans le numéro actuel de Science , Stuart Lindsay, directeur du Center for Single Molecule Biophysics de l'Arizona State University au Biodesign Institute, avec ses collègues, démontre le potentiel d'une telle méthode dans laquelle un ruban d'ADN simple brin est enfilé à travers un nanotube de carbone, produisant des pointes de tension qui fournissent des informations sur le passage des bases d'ADN lorsqu'elles traversent le tube - un processus connu sous le nom de translocation.

Les nanotubes de carbone sont polyvalents, structures cylindriques utilisées en nanotechnologie, électronique, l'optique et d'autres domaines de la science des matériaux. Ils sont composés d'allotropes de carbone - des arrangements variés d'atomes de carbone, présentant des propriétés uniques de résistance et de conductivité électrique.

Méthodes traditionnelles de lecture du script génétique, constitué de quatre bases nucléotidiques, adénine, thymine, cytosine et guanine (marquées A, T, C, &G), reposent généralement sur le déchiquetage de la molécule d'ADN en centaines de milliers de morceaux, la lecture de ces sections abrégées et enfin, reconstruire la séquence génétique complète à l'aide d'une puissance de calcul massive. Il y a une décennie, le premier génome humain - une séquence de plus de 3 milliards de paires de bases chimiques - a été décodé avec succès, dans un tour de force biologique. L'entreprise a nécessité environ 11 ans d'efforts acharnés pour un coût de 1 milliard de dollars. En plus de la pénibilité des techniques existantes, la précision est compromise, avec des erreurs s'accumulant proportionnellement au nombre de fragments à lire.

Une nouvelle stratégie implique l'utilisation de nanopores - des orifices de diamètre moléculaire qui relient deux réservoirs de fluide. Une tension constante peut être appliquée entre deux électrodes situées à chaque extrémité du nanopore, induisant un courant ionique à traverser la longueur du canal fermé du nanopore. A cette échelle, le passage même d'une seule molécule génère un changement détectable dans le flux de courant ionique à travers le pore. Ce courant est ensuite amplifié et mesuré électroniquement. Ce n'est qu'assez récemment que les techniques de micro-fabrication de pointe ont permis aux chercheurs de construire des nanopores à l'échelle de molécules individuelles, ouvrant de nombreuses nouvelles possibilités pour la manipulation et la recherche de molécules uniques.

Dans l'étude actuelle, nanotubes de carbone monoparoi, 1-2 nm de diamètre, ont été utilisés pour les canaux conducteurs. Lorsqu'un courant a été induit à travers le nanotube, segments d'ADN simple brin (appelés oligomères) constitués de 60 ou 120 nucléotides, ont été aspirés dans l'ouverture du nanotube et déplacés du côté anode du nanotube vers le côté cathode de sortie, en raison de la charge négative portée par la molécule d'ADN. La vitesse de translocation de l'ADN dépend à la fois de la structure nucléotidique et du poids moléculaire de l'échantillon d'ADN.

Les nanotubes de carbone ont été développés sur une plaquette de silicium oxydé. Les résultats indiquent que parmi les nanotubes formés avec succès - ceux qui sont complètement ouverts et sans fuite sur toute leur longueur - une forte pointe d'activité électrique est détectée pendant le processus de translocation de l'ADN. Plus loin, l'inversion de la polarisation des électrodes fait disparaître les pointes de courant; la restauration du biais d'origine a provoqué la réapparition des pointes.

Lindsay souligne que les impulsions de courant transitoire, chacun contenant environ 10x7 charges, représentent une énorme amplification de la charge transloquée. Une technique connue sous le nom de réaction en chaîne par polymérase quantitative (qPCR) a été utilisée pour vérifier que les nanotubes de carbone particuliers affichant ces pics de courant anormalement pointus - environ 20 pour cent de l'échantillon total, étaient en effet ceux par lesquels la translocation d'ADN s'était produite.

L'équipe a effectué des simulations moléculaires pour tenter de déterminer le mécanisme des courants ioniques anormalement élevés détectés dans les nanotubes. L'observation des courbes courant-tension enregistrées à différentes concentrations ioniques a montré que le mouvement des ions à travers certains des tubes est très inhabituel, bien que la compréhension du mécanisme précis par lequel la translocation d'ADN donne lieu aux pics de courant observés nécessitera une modélisation plus poussée. Néanmoins, le signal électrique caractéristique de la translocation de l'ADN à travers des tubes à conductance ionique élevée peut fournir un raffinement supplémentaire dans les efforts en cours pour appliquer la technologie des nanopores pour le séquençage rapide de l'ADN.

Le contrôle précis de la translocation de l'ADN est essentiel à la réussite d'un séquençage rapide à travers les nanopores. L'espoir est que la lecture génétique puisse être considérablement accélérée, tout en laissant suffisamment de temps pour que les bases d'ADN soient identifiées par des traces de courant électrique. Les nanotubes de carbone offrent une alternative intéressante, rendant le contrôle des caractéristiques des nanopores plus facile et plus fiable.

Si le processus peut être perfectionné, Lindsay souligne, Le séquençage de l'ADN pourrait être effectué des milliers de fois plus rapidement qu'avec les méthodes existantes, à une fraction du coût. La réalisation de l'objectif un patient-un-génome de la médecine personnalisée fournirait des informations diagnostiques essentielles et aiderait à lancer des traitements individualisés pour un large éventail de maladies.