La médecine personnalisée basée sur les gènes offre de nombreuses possibilités de diagnostic et de thérapie ciblée, mais un gros goulot d'étranglement :le processus coûteux et long de séquençage de l'ADN.

Maintenant, des chercheurs de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign ont découvert que des nanopores dans le matériau bisulfure de molybdène (MoS2) pourraient séquencer l'ADN avec plus de précision, rapidement et à moindre coût que tout ce qui est encore disponible.

"L'un des grands domaines de la science est de séquencer le génome humain pour moins de 1 $, 000, le 'génome à la maison, '", a déclaré Narayana Aluru, un professeur de sciences mécaniques et d'ingénierie à l'U. of I. qui a dirigé l'étude. "Il y a maintenant une chasse pour trouver le bon matériau. Nous avons utilisé MoS2 pour d'autres problèmes, et nous avons pensé, pourquoi ne pas l'essayer et voir ce qu'il fait pour le séquençage de l'ADN ?"

Comme il s'avère, Le MoS2 surpasse tous les autres matériaux utilisés pour le séquençage de l'ADN nanopore, même le graphène.

Un nanopore est un très petit trou percé à travers une fine feuille de matériau. Le pore est juste assez grand pour qu'une molécule d'ADN puisse y passer. Un courant électrique entraîne l'ADN à travers le nanopore, et les fluctuations du courant lorsque l'ADN passe à travers le pore indiquent la séquence de l'ADN, puisque chacune des quatre lettres de l'alphabet ADN - A, C, G et T – sont légèrement différents en forme et en taille.

La plupart des matériaux utilisés pour le séquençage de l'ADN nanopore ont un défaut de taille :ils sont trop épais. Même une mince feuille de la plupart des matériaux s'étend sur plusieurs maillons de la chaîne d'ADN, ce qui rend impossible de déterminer avec précision la séquence exacte de l'ADN.

Le graphène est devenu une alternative populaire, puisqu'il s'agit d'une feuille constituée d'une seule couche d'atomes de carbone, ce qui signifie qu'une seule base à la fois traverse le nanopore. Malheureusement, le graphène a son propre ensemble de problèmes, le plus important étant que l'ADN s'y colle. L'ADN interagissant avec le graphène introduit beaucoup de bruit qui rend difficile la lecture du courant, comme une station de radio gâchée par des parasites bruyants.

MoS2 est également une feuille monocouche, suffisamment mince pour qu'une seule lettre d'ADN à la fois traverse le nanopore. Dans l'étude, les chercheurs de l'Illinois ont découvert que l'ADN ne colle pas au MoS2, mais passe à travers les pores proprement et rapidement. Voir une animation ci-dessous :

"MoS2 est un concurrent du graphène en termes de transistors, mais nous avons montré ici une nouvelle fonctionnalité de ce matériau en montrant qu'il est capable de biodétection, " a déclaré l'étudiant diplômé Amir Barati Farimani, le premier auteur de l'article.

Le plus excitant pour les chercheurs, les simulations ont donné quatre signaux distincts correspondant aux bases d'une molécule d'ADN double brin. D'autres systèmes en ont donné au mieux deux – A/T et C/G – qui nécessitent ensuite une analyse informatique approfondie pour tenter de distinguer A de T et C de G.

La clé du succès de la simulation et de l'analyse complexes du MoS2 était le supercalculateur Blue Waters, situé au National Center for Supercomputing Applications à l'U. of I.

"Ce sont des calculs très détaillés, " dit Aluru, qui fait également partie de l'Institut Beckman pour la science et la technologie avancées à l'U. of I. "Ils nous disent vraiment la physique des mécanismes réels, et pourquoi le MoS2 est plus performant que les autres matériaux. Nous avons ces idées maintenant grâce à ce travail, qui utilisait beaucoup Blue Waters."

Maintenant, les chercheurs étudient s'ils peuvent atteindre des performances encore plus élevées en couplant MoS2 avec un autre matériau pour former un matériau à faible coût, dispositif de séquençage d'ADN rapide et précis.

"Le but ultime de cette recherche est de fabriquer une sorte de dispositif de séquençage d'ADN à domicile ou personnel, " a déclaré Barati Farimani. " Nous sommes sur le chemin pour y arriver, en trouvant les technologies qui peuvent rapidement, identifier avec précision et à moindre coût le génome humain. Avoir une carte de votre ADN peut aider à prévenir ou à détecter les maladies dans les premiers stades de développement. Si tout le monde peut séquencer à moindre coût pour connaître la carte de sa génétique, ils peuvent être beaucoup plus attentifs à ce qui se passe dans leur corps."