Quelques mois seulement après avoir établi un record de détection du plus petit virus unique en solution, des chercheurs de l'Institut polytechnique de l'Université de New York (NYU-Poly) ont annoncé une nouvelle avancée :ils ont utilisé une version nano-améliorée de leur biocapteur à microcavité breveté pour détecter une seule protéine marqueur du cancer, qui est un sixième de la taille du plus petit virus, et des molécules encore plus petites en dessous de la masse de tous les marqueurs connus. Cette réalisation bat le record précédent, établir une nouvelle référence pour la limite de détection la plus sensible, et peut faire progresser considérablement le diagnostic précoce de la maladie. Contrairement à la technologie actuelle, qui attache une molécule fluorescente, ou étiquette, à l'antigène pour lui permettre d'être vu, le nouveau procédé détecte l'antigène sans marqueur interférant.

Stéphane Arnold, professeur des universités de physique appliquée et membre du département Othmer-Jacobs de génie chimique et biomoléculaire, les détails publiés de la réalisation dans Lettres nano , une publication de l'American Chemical Society.

En 2012, Arnold et son équipe ont pu détecter en solution le plus petit virus à ARN connu, MS2, avec une masse de 6 attogrammes. Maintenant, avec les travaux expérimentaux de la stagiaire postdoctorale Venkata Dantham et de l'ancien étudiant David Keng, deux protéines ont été détectées :une protéine marqueur du cancer humain appelée Thyroglobuline, avec une masse de seulement 1 attogramme, et la forme bovine d'une protéine plasmatique commune, albumine sérique, avec une masse beaucoup plus petite de 0,11 attogramme. "Un attogramme est un millionième de millionième de millionième de gramme, " dit Arnold, "et nous pensons que notre nouvelle limite de détection peut être inférieure à 0,01 attogramme."

Cette dernière étape s'appuie sur une technique mise au point par Arnold et des collaborateurs de NYU-Poly et de l'Université Fordham. En 2012, les chercheurs ont établi le premier record de dimensionnement en traitant un nouveau biocapteur avec des nano-récepteurs d'or plasmoniques, améliorant le champ électrique du capteur et permettant de détecter même les plus petits décalages de fréquence de résonance. Leur plan était de concevoir un dispositif de diagnostic médical capable d'identifier une seule particule virale dans un point de service, sans l'utilisation de préparations d'essai spéciales.

À l'époque, la notion de détection d'une seule protéine - phénoménalement plus petite qu'un virus - a été présentée comme le but ultime.

"Les protéines dirigent le corps, " a expliqué Arnold. " Lorsque le système immunitaire rencontre un virus, il pompe d'énormes quantités de protéines d'anticorps, et tous les cancers génèrent des marqueurs protéiques. Un test capable de détecter une seule protéine serait le test de diagnostic le plus sensible imaginable."

A la surprise des chercheurs, l'examen de leur nanorécepteur au microscope électronique à transmission a révélé que la surface de sa coque en or était recouverte de bosses aléatoires d'environ la taille d'une protéine. Cartographie informatique et simulations créées par Stephen Holler, une fois étudiant d'Arnold et maintenant professeur adjoint de physique à l'Université Fordham, ont montré que ces irrégularités génèrent leur propre champ de sensibilité locale très réactif s'étendant sur plusieurs nanomètres, amplifier les capacités du capteur bien au-delà des prédictions originales. "Un virus est bien trop gros pour être détecté par ce champ, " a déclaré Arnold. " Les protéines ne mesurent que quelques nanomètres de diamètre, exactement la bonne taille pour s'enregistrer dans cet espace. "

Les implications de la détection d'une seule protéine sont importantes et peuvent jeter les bases d'une thérapeutique médicale améliorée. Entre autres avancées, Arnold et ses collègues postulent que la capacité de suivre un signal en temps réel, d'assister à la détection d'une seule protéine marqueur de la maladie et de suivre son mouvement, peut permettre de mieux comprendre comment les protéines se fixent aux anticorps.

Arnold a nommé la nouvelle méthode de détection sans étiquette « biodétection en mode galerie de chuchotements » parce que les ondes lumineuses dans le système lui ont rappelé la façon dont les voix rebondissent autour de la galerie de chuchotements sous le dôme de la cathédrale Saint-Paul de Londres. Un laser envoie de la lumière à travers une fibre de verre vers un détecteur. Lorsqu'une microsphère est placée contre la fibre, certaines longueurs d'onde de la lumière se détournent dans la sphère et rebondissent à l'intérieur, créant un creux dans la lumière que le détecteur reçoit. Lorsqu'une molécule comme un marqueur du cancer s'accroche à une nanocoquille d'or attachée à la microsphère, la fréquence de résonance de la microsphère se décale d'une quantité mesurable.