Les structures qui donnent une tournure à la lumière révèlent d'infimes quantités d'ADN avec une sensibilité 50 fois meilleure que les meilleures méthodes actuelles, une collaboration entre l'Université du Michigan et l'Université de Jiangnan en Chine l'a montré.

La détection très sensible de l'ADN peut aider au diagnostic des patients, résoudre des crimes et identifier les origines de contaminants biologiques tels qu'un agent pathogène dans un approvisionnement en eau.

"Peu importe d'où vient l'ADN cible, " a déclaré Nicolas Kotov, le professeur Joseph B. et Florence V. Cejka de génie chimique à l'U-M. "Afin de détecter un ADN spécifique, nous avons juste besoin de connaître une petite partie de sa séquence."

Les méthodes actuelles d'analyse d'ADN reposent sur la copie de segments d'un brin d'ADN. Le processus décompresse la double hélice puis court, des brins d'ADN « amorce » fabriqués en laboratoire se fixent à chaque moitié de l'ADN d'origine. Ces amorces lancent le processus de copie, en utilisant l'ADN décompressé comme matrice. Des segments d'ADN ciblés peuvent être répliqués de cette manière, doublant à chaque cycle. Si suffisamment d'ADN est produit avant que les erreurs de copie ne deviennent un problème majeur, alors une analyse plus poussée peut montrer si l'échantillon correspond à un suspect, par exemple.

Mais si les amorces étaient très sélectives pour la séquence d'ADN suspectée, alors une correspondance pourrait être déterminée en détectant simplement si l'ADN avait été copié ou non. Des études ont révélé que de petites quantités d'ADN pouvaient être observées lorsque des nanoparticules d'or sphériques étaient attachées aux amorces. Si l'ADN correspond à des soupçons, des chaînes de particules liées ensemble avec de l'ADN se formeraient dans le processus de réplication. La solution de nanoparticules changerait de couleur du rouge au bleu, en raison de la façon dont les chaînes de particules interagissent avec la lumière.

« Des limites de détection impressionnantes ont été atteintes pour les ADN courts contenant des nanoparticules ; cependant, pas pour longtemps l'ADN, " a déclaré Kotov.

Le problème, il expliqua, est que si les particules sont plus éloignées que quelques nanomètres, ou des millionièmes de millimètre, "ils n'interagissent pas fortement et la couleur bleue ne se produit pas." Des brins plus longs sont nécessaires pour différencier les espèces et les individus avec une plus grande précision.

"Si les brins sont trop courts, vous pourriez confondre l'ADN d'un tueur avec celui du chien de l'ami - ou la signature d'un cancer de l'estomac malin avec le morceau d'un burrito de poulet, " a déclaré Kotov.

Lui et son partenaire Chuanlai Xu, professeur de sciences et technologies alimentaires à l'Université de Jiangnan en Chine, a mené un effort pour voir si un changement optique plus subtil tiendrait jusqu'à de plus longues distances.

Plutôt que d'utiliser des nanoparticules sphériques, l'équipe a commencé avec des nanotiges, en forme de petits bonbons Mike et Ike, environ 62 nanomètres de long et 22 nanomètres de diamètre. Ils ont attaché l'ADN d'amorce sur les côtés de ceux-ci.

Lorsque les nanotiges s'alignent, ils ont tendance à se désaligner d'environ 10 degrés. Après quelques tours de copie, les structures d'or et d'ADN ressemblaient à des échelles de corde torsadées. La lumière passant à travers la spirale de rayons dorés réagissait en tournant.

"La lumière peut être tournée même lorsque les nanotiges sont éloignées les unes des autres, " a déclaré Kotov. "Cela donne à nos méthodes un énorme avantage en termes de sensibilité pour les longs brins d'ADN."

La rotation se produit parce que la lumière est composée d'ondes électriques et magnétiques se déplaçant en tandem, et les champs électriques et magnétiques exercent des forces sur les particules chargées qui ont la liberté de se déplacer, comme les électrons dans les métaux. Les électrons de l'or répondent très bien à la fréquence des ondes lumineuses visibles, alors ils commencent à aller et venir dans l'or, synchronisé avec la lumière. Cet effet est à double sens :les électrons en mouvement dans l'or peuvent également affecter les ondes lumineuses.

Kotov compare la lumière à une corde traversée par des ondulations.

"Imaginez maintenant que l'air autour de la corde puisse se déplacer plus facilement dans certaines directions, " a déclaré Kotov.

Pour la lumière passant à travers les nanotiges d'or, c'est plus facile si l'onde électrique monte et descend le long des nanotiges, Ainsi, la lumière tourne lorsqu'elle se déplace de nanotige en nanotige et continue de se tordre après avoir quitté la structure. Et selon que la lumière commence à tourner dans le sens horaire ou antihoraire, il ressent le plus la torsion des nanotiges à différentes longueurs d'onde.

"A des fins d'analyse, c'est un cadeau, " a déclaré Kotov.

Les deux pics de la quantité de torsion pour la lumière dans le sens des aiguilles d'une montre et dans le sens inverse des aiguilles d'une montre peuvent être additionnés, ce qui donne un signal plus fort et permet à la méthode d'identifier une correspondance avec de plus petites quantités d'ADN.

"La force de la rotation atteint son maximum lorsque l'écart entre les nanotiges est de 20 nanomètres, ce qui est exactement ce dont nous avons besoin pour la détection de long, brins d'ADN sélectifs et spécifiques à l'espèce, " Kotov said. "The calculations presented show that we can potentially increase the sensitivity even more in the future and to even longer DNAs."