Les scientifiques de l'Arizona State University ont proposé une nouvelle tournure dans leurs efforts pour développer un moyen plus rapide et moins cher de lire le code génétique de l'ADN. Ils ont développé le premier, lecteur d'ADN polyvalent qui peut faire la distinction entre les quatre composants chimiques de base de l'ADN, la clé pour déverrouiller le code vital derrière l'hérédité et la santé humaines.

Dirigé par le professeur Stuart Lindsay de l'ASU Regents, directeur du Biodesign Institute's Center for Single Molecule Biophysics, l'équipe de l'ASU fait partie d'une poignée qui a reçu des fonds de relance pour une initiative nationale de recherche sur le génome humain, une partie des instituts nationaux de la santé, rendre le séquençage du génome de l'ADN aussi répandu qu'un examen médical de routine.

L'objectif général de cette initiative « $1000 génome » est de développer une technologie de séquençage de l'ADN de nouvelle génération pour inaugurer l'ère de la médecine personnalisée, où la connaissance d'un individu est complète, 3 milliards de code d'informations ADN, ou génome, permettra une approche plus adaptée du diagnostic et du traitement des maladies. Avec les technologies actuelles prenant près d'un an à compléter à un coût de plusieurs centaines de milliers de dollars, moins de 20 individus sur la planète ont eu leur génome entier séquencé à ce jour.

Pour faire de leur rêve de recherche une réalité, L'équipe de Lindsay a envisagé de construire un petit lecteur d'ADN nanométrique qui pourrait fonctionner comme un scanner de caisse de supermarché, distinguer les quatre lettres chimiques du code génétique de l'ADN, abrégé par A, G, C, et T, car ils passent rapidement par le lecteur.

Faire cela, ils avaient besoin de développer l'équivalent nanotechnologique de l'enfilage du chas d'une aiguille. Dans ce cas, l'ADN serait le fil qui pourrait être reconnu lorsqu'il passerait devant « l'œil » du lecteur. Au cours des dernières années, L'équipe de Lindsay a fait des progrès constants, et a démontré pour la première fois la capacité de lire des séquences d'ADN individuelles en 2008, mais cette approche était limitée car ils devaient utiliser quatre lecteurs distincts pour reconnaître chacune des bases d'ADN. Plus récemment, ils ont démontré la capacité de faire passer des séquences d'ADN à travers le trou étroit d'un élément fondamental de la nanotechnologie, le nanotube de carbone.

L'équipe de Lindsay s'appuie sur les yeux de la nanotechnologie, microscopes à effet tunnel (STM) et à force atomique (ATM), pour faire leurs mesures. Les microscopes ont une pointe d'électrode délicate qui est maintenue très près de l'échantillon d'ADN.

Dans leur dernière innovation, L'équipe de Lindsay a fabriqué deux électrodes, un à l'extrémité de la sonde du microscope, et un autre en surface, dont les extrémités minuscules ont été modifiées chimiquement pour attirer et attraper l'ADN entre un espace comme une pince à épiler chimique. L'écart entre ces électrodes fonctionnalisées a dû être ajusté pour trouver le sweet spot de liaison chimique, de sorte que lorsqu'une seule base chimique de l'ADN traverse un minuscule, écart de 2,5 nanomètres entre deux électrodes en or, il colle momentanément aux électrodes et une petite augmentation du courant est détectée. Plus petit, et les molécules seraient capables de se lier dans de nombreuses configurations, confusion de la lecture, aucune base plus grande ou plus petite ne serait détectée.

"Ce que nous avons fait, c'est de réduire le nombre de types de configurations liées à un seul par base d'ADN, " a déclaré Lindsay. " La beauté de l'approche est que les quatre bases correspondent juste à l'espace de 2,5 nanomètres, c'est donc une taille unique, mais juste comme ça !"

A cette échelle, qui ne fait que quelques diamètres atomiques, des phénomènes quantiques sont en jeu où les électrons peuvent effectivement fuir d'une électrode à l'autre, tunnel à travers les bases d'ADN dans le processus.

Chacune des bases chimiques du code génétique de l'ADN, abrégé A, C, T ou G, donne une signature électrique unique lorsqu'ils passent entre l'espace dans les électrodes. Par essais et erreurs, et un peu de bonheur, ils ont découvert qu'une seule modification chimique des deux électrodes pouvait faire la distinction entre les 4 bases d'ADN.

« Nous avons maintenant créé un lecteur de séquences d'ADN générique et sommes le premier groupe à signaler la détection des 4 bases d'ADN dans un tunnel, " dit Lindsay. " Aussi, les expériences de contrôle montrent qu'il existe un certain (faible) niveau de discrimination avec des électrodes même nues (les expériences de contrôle) et c'est en soi, une première aussi."

« Nous avons été assez surpris de nous lier à des électrodes nues car, comme beaucoup de physiciens, nous avions toujours supposé que les bases tomberaient simplement. Mais en fait, tout chimiste de surface vous dira que les bases ont de faibles interactions chimiques avec les surfaces métalliques."

Prochain, Le groupe de Lindsay travaille dur pour essayer d'adapter le lecteur aux solutions à base d'eau, une étape extrêmement pratique pour les applications de séquençage d'ADN. Aussi, l'équipe aimerait combiner les capacités du lecteur avec la technologie des nanotubes de carbone pour travailler sur la lecture de courtes portions d'ADN.

Si le processus peut être perfectionné, Le séquençage de l'ADN pourrait être effectué beaucoup plus rapidement que la technologie actuelle, et à une fraction du coût. Ce n'est qu'alors que la promesse d'une médecine personnalisée atteindra un public de masse.