Les ingénieurs chimistes du MIT ont développé une nouvelle façon de générer des nanoparticules capables de reconnaître des molécules spécifiques, ouvrant une nouvelle approche pour construire des capteurs durables pour de nombreux composés différents, entre autres applications.

Pour créer ces « anticorps synthétiques, " les chercheurs ont utilisé des nanotubes de carbone - creux, des cylindres nanométriques d'épaisseur en carbone qui émettent naturellement une fluorescence lorsqu'ils sont exposés à la lumière laser. Autrefois, les chercheurs ont exploité ce phénomène pour créer des capteurs en enrobant les nanotubes de molécules, tels que les anticorps naturels, qui se lient à une cible particulière. Lorsque la cible est rencontrée, la fluorescence du nanotube de carbone s'éclaircit ou s'atténue.

L'équipe du MIT a découvert qu'elle pouvait créer de nouveaux capteurs en enrobant les nanotubes de polymères amphiphiles spécialement conçus, des polymères attirés à la fois par l'huile et l'eau, comme du savon. Cette approche offre une vaste gamme de sites de reconnaissance spécifiques à différentes cibles, et pourrait être utilisé pour créer des capteurs pour surveiller des maladies telles que le cancer, inflammation, ou le diabète dans les systèmes vivants.

"Cette nouvelle technique nous donne une capacité sans précédent à reconnaître n'importe quelle molécule cible en criblant des complexes nanotube-polymère pour créer des analogues synthétiques de la fonction d'anticorps, " dit Michael Strano, le professeur Carbon P. Dubbs de génie chimique au MIT et auteur principal de l'étude, qui apparaît dans l'édition en ligne du 24 novembre de Nature Nanotechnologie .

Les principaux auteurs de l'article sont le récent titulaire d'un doctorat Jingqing Zhang, postdoctorale Markita Landry, et les anciens post-doctorants Paul Barone et Jong-Ho Kim.

Anticorps synthétiques

Les nouveaux capteurs à base de polymère offrent une approche de conception synthétique pour la production de sites de reconnaissance moléculaire, permettant, entre autres applications, la détection d'une bibliothèque potentiellement infinie de cibles. De plus, cette approche peut fournir une alternative plus durable au revêtement de capteurs tels que les nanotubes de carbone avec des anticorps réels, qui peuvent se décomposer à l'intérieur des cellules et des tissus vivants. Une autre famille de molécules de reconnaissance couramment utilisées sont les aptamères d'ADN, qui sont de courts morceaux d'ADN qui interagissent avec des cibles spécifiques, en fonction de la séquence des aptamères. Cependant, il n'y a pas d'aptamères spécifiques à de nombreuses molécules que l'on pourrait vouloir détecter, dit Strano.

Dans le nouveau journal, les chercheurs décrivent des sites de reconnaissance moléculaire permettant la création de capteurs spécifiques à la riboflavine, estradiol (une forme d'oestrogène), et la L-thyroxine (une hormone thyroïdienne), mais ils travaillent maintenant sur des sites pour de nombreux autres types de molécules, y compris les neurotransmetteurs, les glucides, et les protéines.

Leur approche tire parti d'un phénomène qui se produit lorsque certains types de polymères se lient à un nanotube de carbone. Ces polymères, dit amphiphile, ont à la fois des régions hydrophobes et hydrophiles. Ces polymères sont conçus et synthétisés de telle sorte que lorsque les polymères sont exposés à des nanotubes de carbone, les régions hydrophobes s'accrochent aux tubes comme des ancres et les régions hydrophiles forment une série de boucles s'étendant à partir des tubes.

Ces boucles forment une nouvelle couche entourant le nanotube, connu sous le nom de couronne. Les chercheurs du MIT ont découvert que les boucles à l'intérieur de la couronne sont disposées très précisément le long du tube, et l'espacement entre les ancres détermine quelle molécule cible sera capable de se caler dans les boucles et de modifier la fluorescence du nanotube de carbone.

Interactions moléculaires

Ce qui est unique dans cette approche, disent les chercheurs, est que la reconnaissance moléculaire ne pouvait pas être prédite en examinant la structure de la molécule cible et du polymère avant qu'il ne se fixe au nanotube.

"L'idée est qu'un chimiste ne pourrait pas regarder le polymère et comprendre pourquoi cela reconnaîtrait la cible, parce que le polymère lui-même ne peut pas reconnaître sélectivement ces molécules. Il doit s'adsorber sur le nanotube puis, en faisant exposer certaines sections du polymère, il forme un site de liaison, " dit Strano.

Laurent Cognet, chercheur principal à l'Institut d'Optique de l'Université de Bordeaux, affirme que cette approche devrait s'avérer utile pour de nombreuses applications nécessitant une détection fiable de molécules spécifiques.

« Ce nouveau concept, étant basé sur la reconnaissance moléculaire à partir de la phase adsorbée elle-même, ne nécessite pas l'utilisation d'anticorps ou de molécules équivalentes pour obtenir des reconnaissances de molécules spécifiques et fournit ainsi une voie alternative prometteuse pour la détection moléculaire « à la demande », " dit Cognet, qui ne faisait pas partie de l'équipe de recherche.

Les chercheurs ont utilisé un système automatisé, procédure d'essais et d'erreurs assistée par robot pour tester environ 30 nanotubes revêtus de polymère contre trois douzaines de cibles possibles, donnant trois coups sûrs. Ils travaillent maintenant sur un moyen de prédire de telles interactions polymère-nanotube en se basant sur la structure des couches corona, en utilisant des données générées à partir d'un nouveau type de microscope que Landry a construit pour imager les interactions entre les couronnes de nanotubes de carbone et leurs cibles.

"Ce qui arrive au polymère et à la phase corona a été un peu un mystère, c'est donc un pas en avant pour obtenir plus de données pour résoudre le problème de la conception d'une cible pour une molécule spécifique, " dit Landry.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.