Les biocapteurs nanochampignons peuvent être utilisés pour compter les cellules en division et détecter les biomolécules. Crédit :OIST
Un petit rectangle de verre rose, environ la taille d'un timbre-poste, est assis sur le bureau du professeur Amy Shen. Malgré son apparence modeste, cette petite lame de verre a le potentiel de révolutionner un large éventail de procédés, de la surveillance de la qualité des aliments au diagnostic des maladies.
La lame est faite d'un matériau nanoplasmonique - sa surface est recouverte de millions de nanostructures d'or, chacune ne mesurant que quelques milliardièmes de mètre carré. Les matériaux plasmoniques absorbent et diffusent la lumière de manière intéressante, leur conférant des propriétés de détection uniques. Les matériaux nanoplasmoniques ont attiré l'attention des biologistes, chimistes, physiciens et spécialistes des matériaux, avec des utilisations possibles dans un large éventail de domaines, comme la biodétection, stockage de données, production de lumière et cellules solaires.
Dans plusieurs articles récents, Le professeur Shen et ses collègues de l'unité Micro/Bio/Nanofluidique de l'Institut des sciences et technologies d'Okinawa (OIST) ont décrit leur création d'un nouveau matériau de biodétection qui peut être utilisé pour surveiller les processus dans les cellules vivantes.
"L'un des objectifs majeurs de la nanoplasmonique est de rechercher de meilleurs moyens de surveiller les processus dans les cellules vivantes en temps réel, ", explique le professeur Shen. La capture de telles informations peut révéler des indices sur le comportement des cellules, mais créer des nanomatériaux sur lesquels les cellules peuvent survivre pendant de longues périodes sans interférer avec les processus cellulaires mesurés est un défi, elle explique.
Compter les cellules de division
L'un des nouveaux biocapteurs de l'équipe est constitué d'un matériau nanoplasmonique capable d'accueillir un grand nombre de cellules sur un même substrat et de suivre la prolifération cellulaire, un processus fondamental impliquant la croissance et la division cellulaire, en temps réel. Voir ce processus en action peut révéler des informations importantes sur la santé et les fonctions des cellules et des tissus.
Illustration schématique de cellules (formes bleues ressemblant à des montagnes) au-dessus de structures nanométriques ressemblant à des champignons avec des tiges de dioxyde de silicone et des capuchons en or, qui ont le potentiel de détecter la prolifération cellulaire en temps réel. Crédit :OIST
Des chercheurs de l'unité Micro/Bio/Nanofluidique de l'OIST ont décrit le capteur dans une étude récemment publiée dans la revue Biosystèmes avancés .
La caractéristique la plus attrayante du matériau est qu'il permet aux cellules de survivre sur de longues périodes. "D'habitude, quand on met des cellules vivantes sur un nanomatériau, ce matériau est toxique et il tue les cellules, " dit le Dr Nikhil Bhalla, chercheur postdoctoral à l'OIST et premier auteur de l'article. "Toutefois, en utilisant notre matériel, les cellules ont survécu pendant plus de sept jours. » Le matériau nanoplasmonique est également très sensible :il peut détecter une augmentation du nombre de cellules aussi faible que 16 sur 1000 cellules.
Le matériau ressemble à un morceau de verre ordinaire. Cependant, la surface est recouverte de minuscules structures nanoplasmoniques en forme de champignon, connu sous le nom de nanochampignons, avec des tiges de dioxyde de silicium et des chapeaux d'or. Ensemble, ceux-ci forment un biocapteur capable de détecter des interactions au niveau moléculaire.
Le biocapteur fonctionne en utilisant les capuchons nanochampignons comme antennes optiques. Lorsque la lumière blanche traverse la lame nanoplasmonique, les nanochampignons absorbent et diffusent une partie de la lumière, changer ses propriétés. L'absorbance et la diffusion de la lumière sont déterminées par la taille, forme et matériau du nanomatériau et, plus important, il est également affecté par tout milieu à proximité immédiate du nanochampignon, telles que les cellules qui ont été placées sur la lame. En mesurant comment la lumière a changé une fois qu'elle émerge de l'autre côté de la glissière, les chercheurs peuvent détecter et surveiller les processus se produisant à la surface du capteur, comme la division cellulaire.
"Normalement, vous devez ajouter des étiquettes, tels que des colorants ou des molécules, aux cellules, pouvoir compter les cellules en division, " dit le Dr Bhalla. " Cependant, avec notre méthode, les nanochampignons peuvent les détecter directement."
Grâce à leur technique d'impression innovante, l'unité Micro/Bio/Nanofluidique de l'OIST a développé un matériau nanoplasmonique contenant des millions de structures en forme de champignon recouvertes d'une couche uniforme de biomolécules. Crédit :OIST
Mise à l'échelle
Ce travail s'appuie sur une nouvelle méthode, développé par les scientifiques de l'Unité Micro/Bio/Nanofluidique de l'OIST, pour la fabrication de biocapteurs nanochampignons. La technique a été publiée dans la revue Matériaux et interfaces appliqués ACS en décembre 2017.
La production de matériaux nanoplasmoniques à grande échelle est un défi car il est difficile d'assurer l'uniformité sur toute la surface du matériau. Pour cette raison, biocapteurs pour les examens cliniques de routine, comme les tests de maladie, manquent encore.
En réponse à ce problème, les chercheurs de l'OIST ont développé une nouvelle technique d'impression pour créer des biocapteurs nanochampignons à grande échelle. Avec leur méthode, ils ont pu développer un matériau composé d'environ un million de structures en forme de champignon sur un substrat de dioxyde de silicium de 2,5 cm sur 7,5 cm.
"Notre technique est comme prendre un tampon, en le recouvrant d'encre à base de molécules biologiques, et impression sur la lame nanoplasmonique, " dit Shivani Sathish, un doctorat étudiant à l'OIST et co-auteur de l'article. Les molécules biologiques augmentent la sensibilité du matériau, ce qui signifie qu'il peut détecter des concentrations extrêmement faibles de substances, comme les anticorps, et ainsi potentiellement détecter les maladies à leurs premiers stades.
« En utilisant notre méthode, il est possible de créer un biocapteur très sensible qui peut détecter même des molécules simples, " dit le Dr Bhalla, premier auteur de l'article.
Les capteurs plasmoniques et nanoplasmoniques offrent des outils importants pour de nombreux domaines, de l'électronique à la production alimentaire en passant par la médecine. Par exemple, en décembre 2017, Ainash Garifullina, doctorante en deuxième année de l'Unité, a développé un nouveau matériau plasmonique pour surveiller la qualité des produits alimentaires pendant le processus de fabrication. Les résultats ont été publiés dans la revue Méthodes analytiques .
Le professeur Shen et son unité disent que, à l'avenir, les matériaux nanoplasmoniques peuvent même être intégrés à des technologies émergentes, tels que les systèmes sans fil dans les dispositifs microfluidiques, permettant aux utilisateurs de prendre des lectures à distance et minimisant ainsi le risque de contamination.
