Une illustration d'un faisceau d'électrons perçant un nanopore en forme d'entaille dans un nanoruban de graphène.
Les instructions pour construire toutes les protéines du corps sont contenues dans l'ADN d'une personne, une chaîne de produits chimiques qui, si déroulé et enfilé bout à bout, formerait une phrase de 3 milliards de lettres. La phrase de chaque personne est unique, Ainsi, apprendre à lire les séquences de gènes aussi rapidement et à moindre coût que possible pourrait ouvrir la voie à d'innombrables applications médicales personnalisées.
Des chercheurs de l'Université de Pennsylvanie ont maintenant progressé dans la réalisation d'une nouvelle technique de séquençage basée sur l'enfilage de cette ficelle à travers un petit trou et l'utilisation d'un capteur à proximité pour lire chaque lettre lors de son passage.
Leur capteur ADN est basé sur le graphène, un réseau atomiquement mince de carbone. Les versions antérieures de la technique n'utilisaient que la minceur imbattable du graphène, mais les recherches de l'équipe Penn montrent comment les propriétés électriques uniques du matériau lauréat du prix Nobel peuvent être utilisées pour fabriquer des dispositifs de séquençage plus rapides et plus sensibles.
De manière critique, la dernière étude de l'équipe montre comment percer ces nanopores sans ruiner la sensibilité électrique du graphène, un risque posé par la simple observation du matériau au microscope électronique.
L'équipe comprend Marija Drndić, professeur de physique à l'École des arts et des sciences, et les membres de son laboratoire, dont l'étudiant diplômé Matthew Puster et les chercheurs postdoctoraux Julio Rodríguez-Manzo et Adrian Balan.
Leurs recherches ont été publiées dans la revue ACS Nano .
Le groupe de Drndić a déjà démontré une série d'avancées dans la lecture des gènes en les faisant passer à travers un petit trou, ou nanopore. Leur étude de 2010 consistait à percer un trou dans une feuille de graphène, puis le mettre dans un bain ionique avec les brins d'ADN à détecter. Parce que chacune des quatre bases, les lettres de l'alphabet de l'ADN, avoir une taille différente, on s'attendrait à ce qu'un nombre différent d'ions se faufile avec chaque base lorsque le brin passe à travers le pore. Les chercheurs pourraient alors interpréter la séquence des bases de l'ADN en mesurant le signal électrique des ions. Cependant, ces signaux actuels sont faibles, limitant la vitesse à laquelle l'ADN pourrait être séquencé.
De nombreux groupes de recherche explorent maintenant de multiples façons d'améliorer la sensibilité et la vitesse de la technique, y compris de nouveaux matériaux et de nouvelles façons de façonner des nanopores. Le groupe de Drndić a expérimenté différentes membranes, ainsi que l'ajout d'une électronique améliorée pour mesurer à des vitesses plus rapides, mais sa dernière étude représente une toute nouvelle façon de générer un signal électrique unique à chaque base.
L'équipe Penn a percé à la fois des encoches et des nanopores complets dans leurs nanorubans de graphène Crédit :Robert Johnson
"Notre dernière tentative d'amélioration de la technique est un départ de nos travaux antérieurs, cependant, " a déclaré Drndić. "Nous essayons maintenant de mesurer le courant directement à partir du graphène, alors qu'avant, nous mesurions le courant ionique dans la solution lorsqu'elle traverse le pore."
L'équipe Penn voulait voir si les nanopores dans le graphène, le matériau le plus conducteur connu, serait capable de détecter directement la différence entre les bases. Au lieu de leurs différentes tailles, cette méthode reposerait sur les bases modifiant la charge électrique dans le matériau voisin. Dans ce cas, le matériau serait un mince, ruban de graphène en forme de fil. Lorsque chaque base passe à travers le pore, il modulerait le courant électrique circulant dans le ruban. Les changements de courant seraient alors mis en correspondance avec leurs bases correspondantes, permettant aux chercheurs de déchiffrer la séquence.
"L'avantage, " Balan a dit, "Par rapport à la méthode ionique, le courant dans le ruban de graphène est mille fois plus élevé. Cela signifie que nous pouvons mesurer mille fois plus rapidement. Nous n'aurions pas besoin de ralentir l'ADN pour effectuer une mesure précise de chaque base. "
Après avoir fabriqué les rubans de graphène sur une membrane en nitrure de silicium et fixé des contacts métalliques, les chercheurs les ont câblés pour mesurer leur résistance puis les ont placés dans un microscope électronique à transmission, ou TEM. Ce type de microscope utilise un large faisceau d'électrons pour produire des images avec une résolution à l'échelle nanométrique en mesurant les électrons lorsqu'ils traversent l'échantillon, mais il peut aussi être utilisé comme une perceuse en focalisant le faisceau.
Les chercheurs avaient utilisé un MET pour percer des nanopores dans des feuilles de graphène pour leurs expériences de séquençage antérieures, mais ont rencontré un défi inattendu cette fois. Quand ils ont mis leurs rubans dans le TEM, ils ont trouvé des résistances significativement augmentées, limitant la sensibilité.
"Le simple fait de regarder les rubans de graphène avec le TEM les a fait se dégrader, " a déclaré Drndić. "Le faisceau large que nous utilisons pour l'imagerie les endommageait en introduisant des défauts dans la configuration des atomes de carbone. Ce n'était presque plus du graphène."
"Cela n'avait pas d'importance dans nos expériences précédentes, " Puster a dit, "puisque nous n'utilisions que le graphène pour sa finesse et ses propriétés mécaniques. Nous créions ces défauts et augmentions la résistance, mais nous ne l'avons pas réalisé parce que nous ne mesurions pas les propriétés électriques du graphène."
Mais avec la clé de résistance ultra-faible du graphène pour leur dispositif de séquençage proposé, l'équipe a été confrontée à un dilemme; ils avaient besoin de percer un trou à un endroit précis sur un ruban 10, 000 fois plus fin qu'un cheveu humain tout en ayant les yeux bandés.
"C'était un véritable barrage routier, " Dit Drndić. "Comment allions-nous percer ces pores alors que le simple fait de regarder le ruban tue l'appareil?"
La solution de l'équipe était d'utiliser un mode d'imagerie différent dans le MET, qui a produit une analyse approximative plutôt qu'une image haute définition.
"Au lieu d'ouvrir la vanne du faisceau et d'inonder le ruban d'électrons, " Rodriguez-Manzo a dit, « nous utilisons un mode de numérisation qui ne prend qu'un instantané. En prenant la photo la plus floue qui nous indique toujours où se trouve le bord du ruban, nous limitons la quantité d'électrons qui le frappent."
"L'image que nous obtenons est très pixelisée, " a déclaré Puster. "Mais alors nous avons juste besoin de choisir le pixel où nous voulons mettre le pore ou l'encoche."
L'équipe a simultanément mesuré les résistances des rubans pendant qu'ils prenaient ces instantanés, montrant clairement qu'ils sont restés intacts tout au long du processus. Ils ont également simulé la présence d'un brin d'ADN en utilisant un champ électrique pour tester que l'appareil serait suffisamment sensible pour mener des expériences sur l'ADN.
"Je pense que cela peut résoudre des problèmes pour beaucoup de nanocapteurs différents, " Drndić a dit. " Qu'ils soient faits de graphène, nanofils, nanotubes de carbone ou autres nanostructures, cela aidera à les maintenir en état de fonctionnement pendant qu'ils sont dans un TEM. L'astuce principale ici est de percer le nanopore avec le moins d'imagerie possible, jetant juste un coup d'œil rapide sous le bandeau."
