Au milieu du zoo des biomolécules essentielles à la vie, les enzymes sont parmi les plus vitales. Sans ces protéines spécialisées, qui accélèrent la vitesse des réactions chimiques, des milliers de processus vitaux essentiels, de la croissance cellulaire et de la digestion à la respiration et à la fonction nerveuse, serait impossible.

Dans de nouvelles recherches, Stuart Lindsay et ses collègues enquêtent sur un exploit récemment découvert réalisé par des enzymes, et très probablement, toutes les protéines. Dans de bonnes conditions, ils peuvent agir comme de superbes conducteurs d'électricité, leur permettant d'être intégrés dans une gamme d'appareils électroniques. "C'est un moyen de brancher l'étonnante diversité chimique des enzymes directement dans un ordinateur, " dit Lindsay.

Alors que le rôle de la conductance des protéines dans la nature reste un sujet de mystère et de spéculation, exploiter ce phénomène à des fins humaines ouvrira probablement de nouvelles voies pour les dispositifs de détection biochimiques, production industrielle intelligente et nouvelles innovations dans le diagnostic médical.

Peut-être le plus excitant, la conductance électrique à travers un type spécial d'enzyme peut signaler une avancée significative pour le séquençage de l'ADN. A l'aide d'une ADN polymérase, le propre lecteur d'ADN haute résolution de la nature, dans un tel dispositif pourrait potentiellement permettre un séquençage ultra-rapide de génomes humains entiers avec une précision sans précédent à un coût très faible. La nouvelle étude "ouvre la boîte de Pandore pour examiner la fonction de n'importe quelle enzyme dans une puce informatique".

Affaires en cours

Les auteurs de la nouvelle étude décrivent les astuces qu'ils ont utilisées pour fixer une ADN polymérase à une paire d'électrodes et les pics de courant résultants associés à l'enzyme liant et libérant successivement les nucléotides cibles de l'ADN. La démonstration réussie de la conductance enzymatique ouvre la voie au montage éventuel de matrices de protéines sur des puces informatiques, où ils peuvent agir en tant que processeurs parallèles biologiques pour une variété de tâches.

"Les enzymes sont des molécules incroyables qui effectuent des réactions chimiques qui ne se produiraient pas autrement, " dit Lindsay. Pour donner une idée de la puissance de ces molécules, certaines réactions essentielles aux processus de la vie, se dépliant des milliers de fois par seconde, il faudrait des millénaires pour se produire en l'absence d'enzymes.

Lindsay dirige le Biosedign Center for Single Molecule Biophysics à l'Arizona State University. La recherche principale du centre se concentre sur la science au croisement de la médecine moléculaire et de la nanotechnologie.

Les découvertes de son groupe apparaissent dans la prochaine édition de la revue ACS Nano .

Les protéines comme conducteurs

Jusqu'à tout récemment, les protéines étaient considérées strictement comme des isolants du flux de courant électrique. Maintenant, il semble, leurs propriétés physiques inhabituelles peuvent conduire à une condition dans laquelle ils sont en équilibre sensible entre un isolant et un conducteur. (Un phénomène connu sous le nom de criticité quantique peut être au cœur de leur comportement particulier.)

En effet, dans des recherches antérieures, Lindsay a démontré une forte conductance électrique à travers une protéine capturée entre une paire d'électrodes. La nouvelle recherche pousse les investigations de la conductance des protéines un peu plus loin. Précédemment, la protéine était connectée via ses deux sites dits actifs. Ce sont les régions d'une protéine qui se lient à des molécules sélectionnées, entraînant souvent un changement de conformation dans la structure 3-D complexe de la molécule et l'achèvement de la tâche donnée à la protéine.

Cette fois, la biomolécule a été câblée de manière sensible aux électrodes au moyen de sites de liaison alternés sur l'enzyme, laissant les sites actifs disponibles pour lier les molécules et réaliser la fonction naturelle des protéines.

Le Kindle de la nature

La molécule d'enzyme choisie pour les expériences est l'une des plus importantes pour la vie. Connue sous le nom d'ADN polymérase, cette enzyme se lie à des nucléotides successifs dans une longueur d'ADN et génère une chaîne complémentaire de nucléotides, un par un. Cette nanomachine polyvalente est utilisée dans les systèmes vivants pour copier l'ADN lors de la réplication cellulaire ainsi que pour réparer les cassures ou autres atteintes à l'ADN.

L'étude décrit des techniques pour fixer l'ADN polymérase aux électrodes afin de générer des signaux de conductance forts au moyen de deux produits chimiques de liaison spécialisés connus sous le nom de biotine et streptavidine. Lorsqu'une électrode a été fonctionnalisée par cette technique, de petites pointes de conductance ont été générées lorsque l'ADN polymérase a successivement lié et libéré chaque nucléotide, comme une main saisissante attrapant et libérant une balle de baseball. Lorsque les deux électrodes ont été équipées de streptavidine et de biotine, signaux de conductance beaucoup plus forts, mesurant 3 à 5 fois plus grand, ont été observés.

L'idée de tirer parti d'une polymérase pour effectuer un séquençage rapide de l'ADN est avec Lindsay depuis un certain temps. Il avait envisagé de l'utiliser dans des dispositifs antérieurs qu'il avait créés dans lesquels des sections d'ADN étaient alimentées par des jonctions tunnel étroites. "Ne serait-ce pas bien si vous pouviez mettre une paire d'électrodes à l'intérieur des polymérases parce que la polymérase attrape l'ADN et le fait passer à travers la jonction. Si vous aviez un mécanisme de lecture intégré dans la polymérase, vous avez la machine de séquençage idéale."

La nouvelle méthode espère adopter une approche différente, en utilisant la propre expertise de lecture rapide de la polymérase pour fournir une lecture des nucléotides à travers des pointes de conductance spécifiques à chacune des 4 bases d'ADN. En pratique, un certain nombre d'obstacles de conception doivent être surmontés. La fixation correcte de la polymérase pour la conductance électrique est une affaire délicate et implique beaucoup d'essais et d'erreurs. Les sites de liaison doivent être conçus dans des domaines spécifiques qui n'affectent pas le repliement et la fonction des protéines et des connexions ont dû être conçues pour empêcher l'enzyme elle-même d'entrer en contact avec les électrodes. L'utilisation de biotine pour lier la molécule semble également être critique pour une conductance élevée. La biotine liant une poche de streptavidine semble aider à conduire le transport d'électrons profondément dans l'intérieur de la protéine, maximisant ainsi la conductance.

La séparation des signaux de conductance enregistrant chaque base d'ADN successive du bruit de fond et des mouvements aléatoires des points de contact de l'enzyme s'est également avérée difficile et des algorithmes d'apprentissage automatique sophistiqués sont mis en œuvre pour clarifier les lectures de conductance. Lindsay pense que bon nombre de ces problèmes de bruit seront résolus lorsque les polymérases seront incorporées dans des puces correctement isolées et scellées maintenant l'enzyme en place de manière rigide.

Frontières enzymatiques

Le premier génome humain complet a été une étape importante pour la science et la médecine. L'effort herculéen du projet du génome humain a nécessité 13 années de travail pour un coût d'un milliard de dollars. Maintenant, les vannes d'une nouvelle ère de la bioélectronique des protéines peuvent s'ouvrir, avec de nombreuses surprises probables en magasin.

Si les obstacles techniques restants peuvent être surmontés, Le séquençage de l'ADN pourrait être réalisé à la vitesse vertigineuse d'une ADN polymérase fonctionnelle, soit une centaine de nucléotides par seconde. "Si vous mettez 10, 000 molécules sur une puce, ce qui n'est pas difficile à faire, vous séquencerez un génome entier en moins d'une heure, " Lindsay dit