Pouvoir suivre des biomolécules individuelles et les observer au travail est le rêve de tout biochimiste. Cela permettrait aux scientifiques de faire des recherches en détail et de mieux comprendre le fonctionnement des nanomachines du vivant, tels que les ribosomes et les ADN polymérases. Les chercheurs de l'Institut Max Planck pour la science de la lumière ont fait un grand pas vers cet objectif. A l'aide d'une microstructure optique et de nanoparticules d'or, ils ont amplifié l'interaction de la lumière avec l'ADN dans la mesure où ils peuvent désormais suivre les interactions entre les segments de molécules d'ADN individuels. Ce faisant, ils ont approché les limites de ce qui est physiquement possible. Leur biocapteur optique pour des molécules uniques non marquées pourrait également constituer une percée dans le développement de biopuces :des mini-laboratoires de la taille d'un ongle dans des appareils analytiques mobiles pourraient tester une goutte de sang pour plusieurs maladies simultanément ou faciliter des analyses environnementales complètes avec très peu de matériel d'échantillon.

Notre compréhension des processus fondamentaux de la vie a d'abord été rendue possible par la connaissance de la façon dont les biomolécules individuelles interagissent les unes avec les autres. Dans les cellules, les nanomachines telles que les ribosomes et les ADN polymérases assemblent des molécules individuelles pour former des structures biologiques complexes telles que des protéines et des molécules d'ADN, les dépositaires de l'information génétique. Bien qu'il soit possible d'étudier l'interaction de molécules individuelles avec des enzymes ou des ribosomes, les molécules doivent souvent être marquées, par exemple avec des marqueurs fluorescents, afin de les observer. Cependant, un tel marquage n'est possible qu'avec certaines molécules, et il peut interférer avec le fonctionnement des nanomachines biologiques. Bien que la lumière puisse être utilisée pour détecter des biomolécules non marquées, l'approche ne peut pas être utilisée pour détecter des molécules d'ADN uniques, car l'interaction des ondes lumineuses avec la molécule est trop faible.

Une équipe de physiciens dirigée par Frank Vollmer du Laboratoire de nanophotonique et de biocapteurs de l'Institut Max Planck pour la science de la lumière a maintenant réussi à amplifier l'interaction de la lumière avec des molécules d'ADN au point que leur biocapteur photonique peut être utilisé pour observer un seul molécules non marquées et leurs interactions.

Une microsphère devient une galerie de chuchotements optiques

Pour y parvenir, les physiciens utilisent des billes de verre d'environ 60 micromètres de diamètre, environ l'épaisseur d'un cheveu humain, et nanofils d'or env. 12 nanomètres de diamètre et 42 nanomètres de longueur. Le fil d'or n'a donc qu'environ un dix millième de l'épaisseur d'un cheveu. La microsphère et le nanofil amplifient l'interaction entre la lumière et les molécules. A l'aide d'un prisme, les chercheurs projettent une lumière laser dans la microsphère. La lumière est réfléchie à plusieurs reprises sur la surface interne de la sphère jusqu'à ce que, finalement, il se propage le long de la surface intérieure, semblable à la façon dont les ondes sonores se déplacent le long des murs d'une enceinte circulaire ou d'une galerie chuchotante :lorsque quelqu'un chuchote à une extrémité de la galerie en forme de dôme ou voûtée, une personne à l'autre bout peut l'entendre à l'autre bout, même sur une distance inhabituellement longue. C'est parce que les ondes sonores ne perdent pas en intensité lorsqu'elles se déplacent.

Si une molécule est fixée à la surface de la bille de verre, le faisceau lumineux le traverse plus de cent mille fois. Parce que l'onde lumineuse s'étend toujours un peu en dehors de la microsphère, une interaction se produit entre elle et la molécule. Cette interaction est fortement amplifiée du fait du contact fréquent entre la lumière et la molécule. Cependant, l'interaction est encore trop faible pour enregistrer des molécules uniques.

Vollmer et ses collègues fixent donc un nanofil à la surface de la bille de verre. La lumière sifflante génère des plasmons :des oscillations collectives d'électrons. "Les plasmons tirent l'onde lumineuse un peu plus loin de la microsphère de verre, " explique Vollmer. Cela amplifie l'intensité du champ de l'onde lumineuse par un facteur de plus d'un millier. Le gain en signal est alors suffisant pour détecter des biomolécules uniques, tels que des fragments d'ADN. Les chercheurs basés à Erlangen ont fait exactement cela. Ils ont attaché un fragment d'ADN simple brin, qui se présente toujours sous la forme d'un double brin dans le noyau cellulaire, au nanofil monté sur la microsphère. Lorsqu'une correspondance, c'est-à-dire complémentaire, Le fragment d'ADN se lie à "l'appât" sur le nanofil, la longueur d'onde de la lumière se décale et est amplifiée par la microsphère et le nanofil. Ce décalage peut être mesuré.

Différentes sections de brin peuvent être distinguées par leur comportement de liaison

Cependant, the physicists used a shorter DNA fragment than is usual in similar procedures. Like a short piece of tape on a wall, short DNA fragments do not adhere strongly to each other, so that the strands separate again relatively quickly. D'où, new fragments are able to bind repeatedly to the molecular "bait", including fragments that are not fully complementary. De cette façon, it is possible to investigate how long the DNA fragments interact with each other and how often the "bait" captures a segment. "This approach makes it possible to use a single DNA receptor and to follow its successive interactions with various DNA segments in the sample solution, " says Frank Vollmer. "Based on the duration and frequency of the measured interactions, it is then possible to detect specific unlabelled DNA molecules."

The researchers have tested their optical biosensor with a sample containing both an exactly matching DNA fragment and a fragment that was not perfectly complementary. They were able to distinguish the two fragments based on their different kinetics.

Even in nature, the bonds formed between molecules and nanomachines are fleeting. Thanks to the new method, it is now possible to explore such natural kinetics in greater detail, says Frank Vollmer. "More research is needed, " says the physicist, who is looking forward to tackling future challenges.

The researchers in Erlangen are already planning future projects. "It's possible to observe, par exemple, how an enzyme such as DNA polymerase synthesizes DNA, " explains Vollmer. The scientists would also like to integrate their photonic biodetector into optical microchips for use in clinical diagnostics.