La puce du biocapteur, constituée d'une sonde d'ADN double brin intégrée à un transistor au graphène, détecte électroniquement les SNP d'ADN. Crédit :Université de Californie - San Diego
Bioingénieurs à l'Université de Californie, San Diego a développé une puce électrique au graphène capable de détecter des mutations dans l'ADN. Les chercheurs disent que la technologie pourrait un jour être utilisée dans diverses applications médicales telles que les tests sanguins pour le dépistage précoce du cancer, surveillance des biomarqueurs de la maladie et détection en temps réel des séquences virales et microbiennes. L'avance a été publiée le 13 juin dans la première édition en ligne de Actes de l'Académie nationale des sciences .
« Nous sommes à l'avant-garde du développement d'une méthode numérique rapide et peu coûteuse pour détecter les mutations génétiques à haute résolution, à l'échelle d'un seul changement de nucléotide dans une séquence d'acide nucléique, " dit Ratnesh Lal, professeur de bio-ingénierie, génie mécanique et science des matériaux à la Jacobs School of Engineering de l'UC San Diego.
La technologie, qui est au stade de la preuve de concept, est un premier pas vers une puce biocapteur pouvant être implantée dans le corps pour détecter une mutation spécifique de l'ADN - en temps réel - et transmettre les informations sans fil à un appareil mobile tel qu'un smartphone ou un ordinateur portable.
L'équipe dirigée par Lal, qui est co-directeur du Centre d'excellence pour la nano-médecine et l'ingénierie, un sous-centre de l'Institute of Engineering in Medicine (IEM) de l'UC San Diego, et Gennadi Glinsky, chercheur à l'IEM, développé une nouvelle technique pour détecter la mutation génétique la plus courante appelée polymorphisme nucléotidique unique (SNP), qui est une variation d'une seule base nucléotidique (A, C, G ou T) dans la séquence d'ADN. Alors que la plupart des SNP n'ont pas d'effet discernable sur la santé, certains sont associés à des conditions pathologiques telles que le cancer, Diabète, cardiopathie, troubles neurodégénératifs, maladies auto-immunes et inflammatoires.
Biocapteur de mutation d'un seul gène. Crédit :Université de Californie - San Diego
Les méthodes actuelles de détection de SNP sont relativement lentes, coûteux et nécessitent l'utilisation d'équipements encombrants. "Nous développons un rapide, facile, moyen peu coûteux et portable de détecter les SNP à l'aide d'une petite puce qui peut fonctionner avec votre téléphone portable, " dit Preston Landon, chercheur dans le groupe de recherche de Lal et co-premier auteur de l'article PNAS.
La puce consiste en une sonde à ADN intégrée dans un transistor à effet de champ en graphène. La sonde ADN est un morceau d'ADN double brin qui contient une séquence codant pour un type spécifique de SNP. La puce est spécifiquement conçue et fabriquée pour capturer des molécules d'ADN (ou d'ARN) avec la mutation nucléotidique unique - chaque fois que ces morceaux d'ADN (ou d'ARN) se lient à la sonde, un signal électrique est produit.
La puce fonctionne essentiellement en effectuant un déplacement de brin d'ADN, le processus dans lequel une double hélice d'ADN échange un brin contre un autre brin complémentaire. Le nouveau volet complémentaire, qui, dans ce cas, contient la mutation d'un seul nucléotide - se lie plus fortement à l'un des brins de la double hélice et déplace l'autre brin. Dans cette étude, la sonde ADN est une double hélice contenant deux brins d'ADN complémentaires qui sont conçus pour se lier faiblement l'un à l'autre :un brin « normal », qui est attaché au transistor au graphène, et un brin "faible", dans lequel quatre des G de la séquence ont été remplacés par des inosines pour affaiblir sa liaison au brin normal. brins d'ADN qui ont la séquence complémentaire parfaitement adaptée au brin normal, en d'autres termes, les brins qui contiennent le SNP - se lieront au brin normal et feront tomber le brin faible. Les chercheurs ont conçu la puce pour générer un signal électrique lorsqu'un brin contenant du SNP se lie à la sonde, permettant une détection rapide et facile des SNP dans un échantillon d'ADN.
Les chercheurs ont souligné qu'une nouvelle caractéristique de leur puce est que la sonde d'ADN est attachée à un transistor au graphène, qui permet à la puce de fonctionner électroniquement. « Un point culminant de cette étude est que nous avons montré que nous pouvons effectuer un déplacement de brin d'ADN sur un transistor à effet de champ au graphène. C'est le premier exemple de combinaison de la nanotechnologie dynamique de l'ADN avec la détection électronique à haute résolution. Le résultat est une technologie qui pourrait utilisé avec vos appareils électroniques sans fil pour détecter les SNP, " a déclaré Michael Hwang, un doctorant en science des matériaux à l'UC San Diego et co-premier auteur de l'étude.
Schéma du déplacement des brins d'ADN sur la puce du biocapteur. Un brin d'ADN parfaitement adapté (vert) se lie au brin normal (rouge) de la sonde ADN et déplace le brin faible (noir). Crédit:Lal Research Group à UC San Diego
L'utilisation d'une sonde ADN double brin dans la technologie développée par l'équipe de Lal est une autre amélioration par rapport aux autres méthodes de détection de SNP, qui utilisent généralement des sondes d'ADN simple brin. Avec une sonde ADN double brin, seul un brin d'ADN qui correspond parfaitement au brin normal est capable de déplacer le brin faible. "Une sonde d'ADN simple brin ne fournit pas cette sélectivité - même un brin d'ADN contenant une base nucléotidique incompatible peut se lier à la sonde et générer des résultats faussement positifs, " dit Lal.
Un autre avantage d'une sonde d'ADN double brin est que la sonde peut être plus longue, permettant à la puce de détecter un SNP dans des segments d'ADN plus longs. Dans cette étude, Lal et son équipe ont signalé une détection réussie des SNP avec une sonde longue de 47 nucléotides, la plus longue sonde d'ADN utilisée jusqu'à présent pour la détection des SNP. les chercheurs ont dit.
Aussi, une sonde plus longue garantit que la séquence d'ADN détectée est unique dans le génome. "Nous nous attendions à ce qu'avec une sonde plus longue, nous pouvons développer une puce de détection de SNP fiable et spécifique à une séquence. En effet, nous avons atteint un haut niveau de sensibilité et de spécificité avec la technologie que nous avons développée, " dit Lal.
Les prochaines étapes comprennent l'extension de la technologie et l'ajout d'une capacité sans fil à la puce. Plus loin sur la route, les chercheurs envisagent de tester la puce en milieu clinique et de l'utiliser pour effectuer des biopsies liquides. Ils envisagent également que la technologie pourrait conduire à une nouvelle génération de méthodes de diagnostic et de traitements personnalisés en médecine.
