Une nouvelle plate-forme à base de puces développée par des chercheurs de l'UC Santa Cruz intègre des nanopores et une technologie optofluidique avec un circuit de contrôle par rétroaction pour permettre un niveau de contrôle sans précédent sur les molécules et les particules individuelles sur une puce pour une analyse à haut débit.

Dans un article publié le 16 août dans Communication Nature , les chercheurs ont rapporté avoir utilisé l'appareil pour contrôler la livraison de biomolécules individuelles, y compris les ribosomes, ADN, et des protéines dans un canal rempli de fluide sur la puce. Ils ont également montré que l'appareil peut être utilisé pour trier différents types de molécules, permettant l'analyse sélective de molécules cibles à partir d'un mélange.

Les capacités du dispositif nanopore-optofluidique programmable ouvrent la voie à un nouvel outil de recherche pour l'analyse de molécules uniques à haut débit sur une puce, dit Holger Schmidt, le professeur Kapany d'optoélectronique à l'UC Santa Cruz et auteur correspondant de l'article.

"Nous pouvons amener une seule molécule dans un canal fluidique où elle peut ensuite être analysée à l'aide de guides d'ondes optiques intégrés ou d'autres techniques, " a déclaré Schmidt. " L'idée est d'introduire une particule ou une molécule, maintenez-le dans le canal pour analyse, puis jeter la particule, et répéter facilement et rapidement le processus pour développer des statistiques robustes de nombreuses expériences sur une seule molécule. »

Le nouveau dispositif s'appuie sur les travaux antérieurs du laboratoire de Schmidt et du groupe de son collaborateur Aaron Hawkins à l'Université Brigham Young pour développer une technologie de puce optofluidique combinant la microfluidique (petits canaux pour la manipulation d'échantillons liquides sur une puce) avec une optique intégrée pour l'analyse optique de molécules uniques. L'ajout de nanopores permet une livraison contrôlée de molécules dans le canal, ainsi que la possibilité d'analyser le signal électrique produit lorsqu'une molécule traverse le pore. Ce dernier travail a été dirigé par le premier auteur Mahmudur Rahman, un étudiant diplômé du laboratoire de Schmidt à l'UC Santa Cruz.

La technologie Nanopore a été utilisée avec succès dans les applications de séquençage de l'ADN, et Schmidt et d'autres chercheurs ont exploré de nouvelles façons d'exploiter les informations contenues dans les signaux produits lors de la translocation des molécules ou des particules à travers un nanopore.

Avec le système de contrôle de rétroaction (un microcontrôleur et un relais à semi-conducteurs) dans le nouvel appareil, l'analyse en temps réel du courant transforme le nanopore en une "porte intelligente" qui peut être programmée par l'utilisateur pour délivrer des molécules dans le canal d'une manière prédéterminée. La porte peut être fermée dès qu'une seule molécule (ou n'importe quel nombre défini par l'utilisateur) est passée, et ouvert à nouveau après un temps défini.

« L'utilisation de nanopores comme « portes intelligentes » est une étape clé vers un système d'analyse à molécule unique qui est convivial et peut fonctionner à haut débit, " a déclaré Schmidt. " Il permet un contrôle programmable par l'utilisateur sur le nombre de molécules qui sont délivrées à un canal fluidique pour une analyse ou un traitement ultérieur, gating sélectif de différents types de molécules simples, et la capacité de fournir des molécules uniques dans une puce à des taux record de plusieurs centaines par minute. »

En utilisant des ribosomes bactériens (70S), les chercheurs ont démontré l'administration contrôlée de plus de 500 ribosomes par minute. Co-auteur Harry Noller, le professeur Sinsheimer de biologie moléculaire à l'UC Santa Cruz, a fait des recherches pionnières sur la structure et la fonction des ribosomes, les machines moléculaires qui synthétisent les protéines dans toutes les cellules vivantes, et collabore avec le groupe de Schmidt depuis 2006.

Les chercheurs ont également utilisé un mélange d'ADN et de ribosomes pour montrer la capacité du dispositif à activer sélectivement la fonction de gating pour une molécule cible (dans ce cas, ADN). Cela peut permettre, par exemple, des expériences de fluorescence sur un nombre contrôlé de molécules cibles, tandis que les particules non étiquetées sont ignorées et rejetées. Le gating sélectif pourrait également être utilisé pour la purification ou le tri de différentes particules en aval du nanopore, sur la base des signaux lorsque les particules traversent le nanopore, dit Schmidt.

Le système programmable permet une flexibilité pour un large éventail d'applications potentielles, il a dit.