une image TEM (à gauche, reproduit au moins 3 fois) et des croquis (à droite) de la structure de l'origami d'ADN utilisée pour l'assemblage de la nanoantenne avec la position du point chaud plasmonique indiquée en rouge. Une image TEM moyenne de classe représentative de l'origami d'ADN utilisé est montrée en haut à droite. b Schémas d'assemblage NACHOS :la construction d'origami d'ADN est liée à la surface revêtue de BSA-biotine via des interactions biotine-NeutrAvidin, Des particules d'argent de 100 nm fonctionnalisées avec de l'ADN thiolé sont attachées à la nanoantenne d'origami d'ADN via des brins de liaison de polyadénine (A20) dans la géométrie en forme de fermeture à glissière pour minimiser la distance entre l'origami et les nanoparticules30. c Image MET d'un NACHOS avec des nanoparticules d'argent de 100 nm (reproduit au moins 3 fois). d Transitoires d'intensité de fluorescence d'une molécule unique, mesuré par microscopie confocale, normalisé à la même puissance d'excitation d'un seul colorant Alexa Fluor 647 incorporé dans un origami d'ADN (orange) et dans une nanoantenne d'origami d'ADN avec deux nanoparticules d'argent de 100 nm (bleu) excitées à 639 nm e. Distribution d'amélioration de la fluorescence d'Alexa Fluor 647 mesurée dans NACHOS avec des nanoparticules d'argent de 100 nm. Un nombre total de 164 et 449 molécules simples dans la référence (d'autres exemples sont fournis dans la Fig. 3) et les structures NACHOS ont été analysées, respectivement. Crédit: Communication Nature (2021). DOI :10.1038/s41467-021-21238-9
Des chercheurs de la Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) à Munich montrent que la lumière émise par une seule molécule peut être détectée avec une installation optique à faible coût. Leur prototype pourrait faciliter les diagnostics médicaux.
Les biomarqueurs jouent un rôle central dans le diagnostic de la maladie et l'évaluation de son évolution. Parmi les marqueurs actuellement utilisés figurent les gènes, protéines, les hormones, lipides et d'autres classes de molécules. Les biomarqueurs peuvent être trouvés dans le sang, dans le liquide céphalo-rachidien, l'urine et divers types de tissus, mais la plupart d'entre eux ont une chose en commun :ils se produisent à des concentrations extrêmement faibles, et sont donc techniquement difficiles à détecter et à quantifier.
De nombreuses procédures de détection utilisent des sondes moléculaires, tels que des anticorps ou de courtes séquences d'acides nucléiques, qui sont conçus pour se lier à des biomarqueurs spécifiques. Lorsqu'une sonde reconnaît et se lie à sa cible, des réactions chimiques ou physiques donnent naissance à des signaux de fluorescence. De telles méthodes fonctionnent bien, à condition qu'ils soient suffisamment sensibles pour reconnaître le biomarqueur pertinent chez un pourcentage élevé de tous les patients qui le portent dans leur sang. En outre, avant que de tels tests basés sur la fluorescence puissent être utilisés dans la pratique, les biomarqueurs eux-mêmes ou leurs signaux doivent être amplifiés. Le but ultime est de permettre la réalisation d'un dépistage médical directement sur les patients, sans avoir à envoyer les échantillons à un laboratoire distant pour analyse.
Les antennes moléculaires amplifient les signaux de fluorescence
Philippe Tinnefeld, titulaire d'une chaire de chimie physique au LMU, a développé une stratégie pour déterminer les niveaux de biomarqueurs présents à de faibles concentrations. Il a réussi à coupler des sondes ADN à de minuscules particules d'or ou d'argent. Des paires de particules (« dimères ») agissent comme des nano-antennes qui amplifient les signaux de fluorescence. L'astuce fonctionne comme suit :les interactions entre les nanoparticules et les ondes lumineuses entrantes intensifient les champs électromagnétiques locaux, et cela conduit à son tour à une augmentation massive de l'amplitude de la fluorescence. De cette façon, les bactéries qui contiennent des gènes de résistance aux antibiotiques et même des virus peuvent être spécifiquement détectés.
"Les nano-antennes à base d'ADN sont étudiées depuis quelques années, " dit Kateryna Trofymchuk, co-premier auteur de l'étude. "Mais la fabrication de ces nanostructures présente des défis." Le groupe de recherche de Philip Tinnefeld a maintenant réussi à configurer plus précisément les composants de leurs nano-antennes, et en positionnant les molécules d'ADN qui servent de sondes de capture au site d'amplification du signal. Ensemble, ces modifications permettent d'amplifier plus efficacement le signal de fluorescence. Par ailleurs, dans le volume minuscule impliqué, qui est de l'ordre du zeptolitre (un zeptolitre équivaut à 10-21 de litre), encore plus de molécules peuvent être capturées.
Le haut degré de contrôle du positionnement est rendu possible par la nanotechnologie de l'ADN, qui exploite les propriétés structurelles de l'ADN pour guider l'assemblage de toutes sortes d'objets à l'échelle nanométrique, en très grand nombre. « Dans un échantillon, nous pouvons produire simultanément des milliards de ces nano-antennes, en utilisant une procédure qui consiste essentiellement à pipeter quelques solutions ensemble, " dit Trofymchuk.
Diagnostic de routine sur le smartphone
"À l'avenir, " dit Viktorija Glembockyte, également co-premier auteur de la publication, « notre technologie pourrait être utilisée pour des tests de diagnostic même dans des zones où l'accès à l'électricité ou aux équipements de laboratoire est restreint. Nous avons montré que nous pouvons détecter directement de petits fragments d'ADN dans le sérum sanguin, à l'aide d'un portable, microscope basé sur smartphone qui fonctionne sur un bloc d'alimentation USB conventionnel pour surveiller le dosage. » Les nouveaux smartphones sont généralement équipés de très bonnes caméras. En dehors de cela, tout ce dont vous avez besoin est un laser et une lentille, deux composants facilement disponibles et bon marché. Les chercheurs de LMU ont utilisé cette recette de base pour construire leurs prototypes.
Ils ont ensuite démontré que des fragments d'ADN spécifiques des gènes de résistance aux antibiotiques chez les bactéries pouvaient être détectés par cette configuration. Mais le test pourrait être facilement modifié pour détecter toute une gamme de types de cibles intéressants, tels que les virus. Tinnefeld est optimiste :« L'année dernière a montré qu'il y a toujours un besoin de méthodes de diagnostic nouvelles et innovantes, et peut-être que notre technologie pourra un jour contribuer au développement d'un test de diagnostic peu coûteux et fiable pouvant être effectué à domicile. »
