Des chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) ont simulé un nouveau concept de séquençage précis des gènes en tirant une molécule d'ADN à travers un minuscule trou activé chimiquement dans le graphène - une feuille ultrafine d'atomes de carbone - et détectant les changements de courant électrique.

L'étude du NIST suggère que la méthode pourrait identifier environ 66 milliards de bases - les plus petites unités d'information génétique - par seconde avec une précision de 90 pour cent et aucun faux positif. Si démontré expérimentalement, la méthode NIST pourrait finalement être plus rapide et moins chère que le séquençage conventionnel de l'ADN, répondre à un besoin critique pour des applications telles que la médecine légale.

Séquençage conventionnel, développé dans les années 1970, implique la séparation, copier, étiqueter et réassembler des morceaux d'ADN pour lire l'information génétique. La nouvelle proposition du NIST est une torsion sur l'idée plus récente de "séquençage de nanopores" consistant à tirer l'ADN à travers un trou dans des matériaux spécifiques, à l'origine une protéine. Ce concept, pionnier il y a 20 ans au NIST, est basé sur le passage de particules chargées électriquement (ions) à travers le pore. L'idée reste populaire mais pose des défis tels que le bruit électrique indésirable, ou d'interférence, et une sélectivité insuffisante.

Par contre, La nouvelle proposition du NIST est de créer des liaisons chimiques temporaires et de s'appuyer sur la capacité du graphène à convertir les contraintes mécaniques résultant de la rupture de ces liaisons en bouffées mesurables de courant électrique.

"Il s'agit essentiellement d'un minuscule capteur de contrainte, " dit le théoricien du NIST Alex Smolyanitsky, qui a eu l'idée et a dirigé le projet. "Nous n'avons pas inventé une technologie complète. Nous avons défini un nouveau principe physique qui peut potentiellement être bien supérieur à tout ce qui existe."

Le graphène est populaire dans les propositions de séquençage de nanopores en raison de ses propriétés électriques et de sa structure en couche mince miniaturisée. Dans la nouvelle méthode NIST, un nanoruban de graphène (4,5 sur 15,5 nanomètres) a plusieurs copies d'une base attachée au nanopore (2,5 nm de large). Le code génétique de l'ADN est construit à partir de quatre types de bases, qui se lient par paires sous forme de cytosine-guanine et thymine-adénine.

Dans les simulations (voir l'animation d'accompagnement) de la façon dont le capteur fonctionnerait à température ambiante dans l'eau, la cytosine est attachée au nanopore pour détecter la guanine. Une molécule d'ADN simple brin (décompressée) est tirée à travers le pore. Quand la guanine passe, des liaisons hydrogène se forment avec la cytosine. Alors que l'ADN continue de bouger, le graphène est tiré puis retombe en position lorsque les liaisons se rompent.

L'étude du NIST s'est concentrée sur la façon dont cette souche affecte les propriétés électroniques du graphène et a constaté que des changements temporaires du courant électrique indiquent en effet qu'une base cible vient de passer. Pour détecter les quatre bases, quatre rubans de graphène, chacun avec une base différente insérée dans le pore, pourraient être empilés verticalement pour créer un capteur d'ADN intégré.

Les chercheurs ont combiné des données simulées avec la théorie pour estimer les niveaux de variations de signaux mesurables. La force du signal était de l'ordre du milliampère, plus fort que dans les méthodes de nanopores à courant ionique antérieures. Basé sur la performance d'une précision de 90 pour cent sans aucun faux positif (c'est-à-dire, les erreurs étaient dues à des bases manquées plutôt qu'à de mauvaises), les chercheurs suggèrent que quatre mesures indépendantes du même brin d'ADN produiraient une précision de 99,99 pour cent, tel que requis pour le séquençage du génome humain.

Les auteurs de l'étude ont conclu que la méthode proposée est « prometteuse pour des dispositifs de détection d'ADN réalistes » sans avoir besoin d'un traitement avancé des données, microscopes, ou des conditions d'exploitation très restreintes. Outre la fixation de bases au nanopore, tous les composants du capteur ont été démontrés expérimentalement par d'autres groupes de recherche. L'analyse théorique suggère que les méthodes de filtrage électronique de base pourraient isoler les signaux électriques utiles. La méthode proposée pourrait également être utilisée avec d'autres membranes sensibles aux contraintes, comme le bisulfure de molybdène.

Environ la moitié des simulations ont été réalisées par un co-auteur de l'Université de Groningen aux Pays-Bas. Le reste a été fait au NIST.