Une illustration de la façon dont l'ADN marqué par fluorescence interagit avec le graphène fonctionnalisé. L'ADN simple brin (A) et l'ADN double brin (B) sont adsorbés sur une surface de graphène, mais l'interaction est plus forte avec ssDNA, provoquant l'obscurcissement de la fluorescence sur l'ADN ss. C) Un ADN complémentaire s'approche de l'ADNsb et provoque le détachement de l'ADNss adsorbé de la surface du graphène. D) L'ADN adsorbé sur le graphène est protégé contre la dégradation par les enzymes.
(PhysOrg.com) -- Le graphène et l'ADN peuvent se combiner pour créer un biocapteur stable et précis, rapporte une étude publiée dans la revue de nanotechnologie Small. Le minuscule biocapteur pourrait éventuellement aider les médecins et les chercheurs à mieux comprendre et diagnostiquer la maladie.
Des scientifiques du Pacific Northwest National Laboratory du ministère de l'Énergie et de l'Université de Princeton ont montré que l'ADN simple brin interagit fortement avec le graphène, un nanomatériau fait de feuilles d'atomes de carbone d'un seul atome d'épaisseur. Ils ont également découvert que le graphène protège l'ADN contre la dégradation par des enzymes similaires à celles trouvées dans les fluides corporels - une caractéristique qui devrait rendre les biocapteurs graphène-ADN très durables.
"Le graphène est d'un grand intérêt car il possède plusieurs caractéristiques uniques, y compris étant facile et relativement peu coûteux à faire, " a déclaré Yuehe Lin, chimiste du PNNL, l'auteur correspondant de l'article. "Mais très peu d'entre eux avaient systématiquement exploré comment le graphène interagissait avec l'ADN à l'aide de plusieurs techniques spectroscopiques jusqu'à ce que nous y jetions un coup d'œil. Nous avons découvert qu'ils faisaient tout à fait la paire."
Les scientifiques explorent le potentiel de la nanotechnologie - ou de minuscules matériaux qui ne mesurent qu'un milliardième de mètre - depuis plusieurs décennies. Un nombre croissant de scientifiques se concentrent sur le graphène car il est supraconducteur, est exceptionnellement solide et a une grande surface. Il est également plus facile à fabriquer et à utiliser que d'autres nanomatériaux, comme les nanotubes de carbone. La nanotechnologie pourrait aider à créer de nouveaux médicaments, délivrer des médicaments et développer des biocapteurs de détection de maladies.
Un biocapteur graphène-ADN détecterait les maladies en recherchant des molécules impliquées dans la maladie. Comme enfiler un ver sur un crochet, les scientifiques placeraient l'ADN d'un gène connu pour contribuer au développement d'une maladie sur un morceau de graphène. Les chercheurs plongeraient ensuite le crochet du biocapteur dans le sang traité, salive ou un autre fluide corporel. Si l'ADN du gène responsable de la maladie est dans le liquide et mord à l'hameçon, le biocapteur émet un signal que les scientifiques peuvent détecter.
La nature double brin de l'ADN dans nos gènes rend ce schéma de pêche possible. L'ADN double brin normal ressemble à une échelle torsadée. Mais l'ADN simple brin ressemble à un peigne :il est composé d'une séquence de lettres d'ADN, ou socles, qui dépassent de la colonne vertébrale et qui recherchent une autre base avec laquelle s'associer. Lorsque des séquences complémentaires sur l'ADN simple brin se rencontrent, les bases forment les barreaux de l'échelle torsadée.
Concevoir des biocapteurs ADN-graphène, les scientifiques doivent comprendre comment l'ADN et le graphène interagissent. Lin et ses collègues, dont l'auteur principal et chercheur postdoctoral du PNNL à l'époque, Zhiwen Tang, attaché une molécule fluorescente à l'ADN qui brille lorsque l'ADN flotte librement pour suivre l'ADN dans des tubes à essai. Prochain, ils ont mélangé l'ADN brillant et le graphène. L'ADN simple brin s'est estompé lorsqu'il est entré en contact avec le graphène. Mais la luminosité de l'ADN double brin n'a diminué que légèrement dans les mêmes conditions. Une analyse plus approfondie avec plusieurs tests de spectroscopie a montré que l'interaction du graphène avec l'ADN simple brin est beaucoup plus forte qu'avec son cousin double brin. Les tests ont également suggéré que le graphène modifiait la structure de l'ADN simple brin.
Pour savoir si l'ADN simple brin pourrait être extrait du graphène en le rendant double brin, les chercheurs ont ajouté clair, ADN simple brin qui avait une séquence complémentaire de bases d'ADN. L'ADN simple brin original a brillé à nouveau. Cela indiquait que le brin unique d'ADN d'origine s'était combiné avec le brin d'ADN ajouté et avait formé une nouvelle molécule qui s'était détachée de la surface du graphène.
Les scientifiques ont ensuite testé à quel point l'ADN simple brin sur le graphène était pointilleux sur les partenaires. Ils ont placé les biocapteurs graphène-ADN dans deux tubes à essai différents. Dans une, ils ont ajouté un brin d'ADN complémentaire avec des bases qui correspondaient parfaitement à l'ADN déjà attaché au graphène. Dans l'autre, ils ont placé un brin d'ADN complémentaire qui avait une base qui ne correspondait pas au brin d'ADN d'origine sur la surface du graphène.
Les deux ont émis plus de lumière après l'introduction de l'ADN complémentaire. Mais la lumière du tube avec les brins d'ADN parfaitement appariés était deux fois plus brillante que celle du tube avec les brins d'ADN légèrement dépareillés. La capacité d'identifier si un brin d'ADN cible a été trouvé dans une correspondance de base - appelée haute spécificité - devrait rendre les biocapteurs graphène-ADN plus précis que les autres, biocapteurs linéaires conventionnels à ADN, les scientifiques ont écrit.
Le graphène contribue également à rendre l'ADN durable, les scientifiques ont appris. Ils ont placé deux types d'ADN simple brin - un qui était attaché au graphène, et un autre qui flottait librement - dans des tubes à essai. Ils ont ajouté de la DNAse - une enzyme qui mâche l'ADN - aux deux et ont découvert que les brins d'ADN libres étaient décomposés, tandis que les nanostructures graphène-ADN sont restées intactes pendant au moins 60 minutes. Les scientifiques ont suggéré que cette protection pourrait créer des plates-formes ADN-graphène bien adaptées à l'imagerie et à la délivrance de gènes chez les patients.
"La conception simple et la durabilité exceptionnelle des biocapteurs graphène-ADN permettent de diagnostiquer des maladies mortelles avec eux, ", a déclaré Lin. "Maintenant, mes collègues et moi allons voir si la capacité du graphène à protéger l'ADN contre les enzymes pourrait aider les structures ADN-graphène à délivrer des médicaments aux cellules malades ou même à aider à la thérapie génique."
L'Université de Princeton a fourni le graphène et la Transformational Materials Science Initiative du PNNL a financé cette étude. Une partie de la recherche a été menée à l'EMSL, le Laboratoire des sciences moléculaires de l'environnement, une installation scientifique nationale d'utilisation située au PNNL.
