Une nouvelle technique de lecture du code ADN repose sur une propriété fondamentale de la matière connue sous le nom de tunnel quantique, qui opère à l'échelle subatomique. L'article actuel montre que des bases uniques à l'intérieur d'une chaîne d'ADN peuvent en effet être lues par tunnellisation, sans interférence des bases voisines, montrer la voie à faible coût, séquençage rapide de l'ADN.

La torsion, La forme en échelle de la molécule d'ADN - le plan architectural de la vie - contient un univers d'informations essentielles à la santé humaine. D'énormes efforts ont été investis pour déchiffrer le code génétique, comprenant, le plus célèbre, le projet du génome humain. Néanmoins, le processus de lecture de quelque trois milliards de « lettres » de nucléotides pour révéler le génome complet d'un individu reste une entreprise coûteuse et complexe.

Maintenant biophysicien Stuart Lindsay, du Biodesign Institute de l'Arizona State University, a démontré une technique qui peut conduire à des lecture à faible coût de génomes entiers, grâce à la reconnaissance des unités chimiques de base, les bases nucléotidiques qui composent la double hélice de l'ADN. Une technique abordable pour le séquençage de l'ADN serait une avancée considérable pour la médecine, permettre le dépistage génomique clinique de routine à des fins de diagnostic ; la conception d'une nouvelle génération de produits pharmaceutiques sur mesure ; et même du bricolage génomique pour améliorer la résistance cellulaire aux infections virales ou bactériennes.

Lindsay est professeur à l'ASU Regents et titulaire de la chaire présidentielle Carson de physique et de chimie, ainsi que directeur du Centre de biophysique à molécule unique du Biodesign Institute. Les recherches de son groupe apparaissent dans le numéro actuel de la revue Nature Nanotechnologie .

La technique de Lindsay pour lire le code ADN repose sur une propriété fondamentale de la matière connue sous le nom de tunnel quantique, qui opère à l'échelle subatomique. Selon la théorie quantique, les particules élémentaires comme les électrons peuvent faire des choses très étranges et contre-intuitives, au mépris des lois classiques de la physique. Une telle subatomique, les entités quantiques possèdent à la fois une nature particulaire et ondulatoire. Une partie de la conséquence de ceci est qu'un électron a une certaine probabilité de se déplacer d'un côté d'une barrière à l'autre, quelle que soit la hauteur ou la largeur d'une telle barrière.

Remarquablement, un électron peut accomplir cet exploit, même lorsque l'énergie potentielle de la barrière dépasse l'énergie cinétique de la particule. Un tel comportement est connu sous le nom de tunnel quantique, et le flux d'électrons est un courant tunnel. La tunnellisation est confinée à de petites distances - si petites qu'une jonction tunnel devrait être capable de lire une base d'ADN (il y en a quatre dans le code génique, UNE, T, C et G) à la fois sans interférence des bases flanquantes. Mais la même sensibilité à la distance signifie que les vibrations de l'ADN, ou des molécules d'eau intermédiaires, ruiner le signal tunnel. Ainsi, le groupe Lindsay a développé des « molécules de reconnaissance » qui « s’agrippent » à chaque base à tour de rôle, serrant la base contre les électrodes qui lisent le signal. Ils appellent cette nouvelle méthode "tunnelage de reconnaissance".

L'article actuel dans Nature Nanotechnology montre que des bases uniques à l'intérieur d'une chaîne d'ADN peuvent en effet être lues par tunnellisation, sans interférence des bases voisines. Chaque base génère un signal électronique distinct, pointes de courant d'une taille et d'une fréquence particulières qui servent à identifier chaque base. Étonnamment, la technique reconnaît même un petit changement chimique que la nature utilise parfois pour affiner l'expression des gènes, le code dit « épigénétique ». Alors que le code génétique d'un individu est le même dans chaque cellule, le code épigénétique est spécifique aux tissus et aux cellules et contrairement au génome lui-même, l'épigénome peut réagir aux changements environnementaux au cours de la vie d'un individu.

Pour lire de plus longues longueurs d'ADN, Le groupe de Lindsay travaille à coupler la lecture du tunnel à un nanopore - un petit trou à travers lequel l'ADN est traîné, une base à la fois, par un champ électrique. L'article de Nature Nanotechnology a également quelque chose à dire sur ce problème. "On a toujours pensé que le problème avec le passage de l'ADN à travers un nanopore est qu'il vole si rapidement qu'il n'y a pas de temps pour lire la séquence", explique Lindsay. Étonnamment, les signaux de tunnel signalés dans le Nanotechnologie Nanture papier durent longtemps - près d'une seconde par base lue.

Pour tester ce résultat, Lindsay a fait équipe avec un collègue, Robert Ros, mesurer la force avec laquelle il faut tirer pour casser le complexe d'une base d'ADN plus les molécules de reconnaissance. Ils l'ont fait avec un microscope à force atomique. « Ces mesures ont confirmé la longue durée de vie du complexe, et a également montré que le temps de lecture pouvait être accéléré à volonté par l'application d'une petite force de traction supplémentaire ", explique Ros. " Ainsi, la scène est prête pour combiner les lectures tunnel avec un dispositif qui fait passer l'ADN à travers un nanopore ", explique Lindsay.

Séquençage par tunnel de reconnaissance, s'il s'avère efficace pour la lecture du génome entier, pourrait représenter une économie substantielle et, espérons-le, dans le temps aussi. Les méthodes existantes de séquençage de l'ADN reposent généralement sur la découpe de la molécule entière en milliers de morceaux de composants, découper l'échelle des bases complémentaires et lire ces fragments. Plus tard, les pièces doivent être méticuleusement remontées, à l'aide d'une puissance de calcul massive. "La lecture directe du code épigénétique détient la clé pour comprendre pourquoi les cellules de différents tissus sont différentes, malgré le même génome", ajoute Lindsay, une référence à la nouvelle capacité de lire les modifications épigénétiques avec tunnellisation.

Lindsay souligne que beaucoup de travail reste à faire avant que l'application du séquençage par reconnaissance puisse devenir une réalité clinique. "À l'heure actuelle, nous ne pouvons lire que deux ou trois bases pendant que la sonde tunnel dérive au-dessus d'elles, et certaines bases sont mieux identifiées que d'autres, " dit-il. Cependant, le groupe s'attend à ce que cela s'améliore à mesure que les futures générations de molécules de reconnaissance seront synthétisées.

« La physique de base est maintenant démontrée », dit Lindsay, ajoutant "peut-être sera-t-il bientôt possible d'incorporer ces principes dans des puces informatiques produites en série". Le jour du « génome sur un ordinateur portable » pourrait arriver plus tôt que prévu.