Des scientifiques de l'EPFL ont développé des nanocapteurs alimentés par l'IA qui permettent aux chercheurs de suivre différents types de molécules biologiques sans les perturber.

Le monde minuscule des biomolécules est riche en interactions fascinantes entre une pléthore d'agents différents tels que des nanomachines complexes (protéines), vaisseaux à changement de forme (complexes lipidiques), chaînes d'informations vitales (ADN) et de carburant énergétique (glucides). Pourtant, les façons dont les biomolécules se rencontrent et interagissent pour définir la symphonie de la vie sont extrêmement complexes.

Des scientifiques du Laboratoire de systèmes bionophotoniques de la Faculté d'ingénierie de l'EPFL ont maintenant développé un nouveau biocapteur qui peut être utilisé pour observer toutes les grandes classes de biomolécules du nanomonde sans les perturber. Leur technique innovante utilise la nanotechnologie, métasurfaces, lumière infrarouge et intelligence artificielle. Les recherches de l'équipe viennent d'être publiées dans Matériaux avancés .

A chaque molécule sa mélodie

Dans cette symphonie nanométrique, une orchestration parfaite permet des merveilles physiologiques telles que la vision et le goût, tandis que de légères dissonances peuvent s'amplifier en d'horribles cacophonies conduisant à des pathologies telles que le cancer et la neurodégénérescence.

"Se connecter à ce monde minuscule et être capable de différencier les protéines, lipides, acides nucléiques et glucides sans perturber leurs interactions est d'une importance fondamentale pour comprendre les processus de la vie et les mécanismes de la maladie, " dit Hatice Altug, le chef du laboratoire des systèmes bionanophotoniques.

Léger, et plus précisément la lumière infrarouge, est au cœur du biocapteur développé par l'équipe d'Altug. Les humains ne peuvent pas voir la lumière infrarouge, qui est au-delà du spectre de la lumière visible qui va du bleu au rouge. Cependant, nous pouvons le sentir sous forme de chaleur dans notre corps, que nos molécules vibrent sous l'excitation de la lumière infrarouge.

Les molécules sont constituées d'atomes liés les uns aux autres et, selon la masse des atomes et la disposition et la rigidité de leurs liaisons, vibrent à des fréquences spécifiques. Ceci est similaire aux cordes d'un instrument de musique qui vibrent à des fréquences spécifiques en fonction de leur longueur. Ces fréquences de résonance sont spécifiques à la molécule, et ils se produisent principalement dans la gamme de fréquences infrarouges du spectre électromagnétique.

« Si vous imaginez des fréquences audio au lieu de fréquences infrarouges, c'est comme si chaque molécule avait sa propre mélodie caractéristique, " dit Aurélian John-Herpin, assistant-doctorant au laboratoire d'Altug et premier auteur de la publication. "Toutefois, l'écoute de ces mélodies est très difficile car sans amplification, ce ne sont que des murmures dans une mer de sons. Pour empirer les choses, leurs mélodies peuvent présenter des motifs très similaires, ce qui les rend difficiles à distinguer."

Métasurfaces et intelligence artificielle

Les scientifiques ont résolu ces deux problèmes en utilisant des métasurfaces et l'IA. Les métasurfaces sont des matériaux artificiels dotés de capacités exceptionnelles de manipulation de la lumière à l'échelle nanométrique, permettant ainsi des fonctions au-delà de ce qui est autrement vu dans la nature. Ici, leurs méta-atomes conçus avec précision et fabriqués à partir de nanotiges d'or agissent comme des amplificateurs d'interactions lumière-matière en puisant dans les excitations plasmoniques résultant des oscillations collectives des électrons libres dans les métaux. « Dans notre analogie, ces interactions améliorées rendent les mélodies des molécules chuchotées plus audibles, " dit Jean-Herpin.

L'IA est un outil puissant qui peut être alimenté avec plus de données que les humains ne peuvent en gérer dans le même laps de temps et qui peut rapidement développer la capacité de reconnaître des modèles complexes à partir des données. John-Herpin explique, "L'IA peut être imaginée comme un musicien débutant complet qui écoute les différentes mélodies amplifiées et développe une oreille parfaite après seulement quelques minutes et peut distinguer les mélodies, même lorsqu'ils sont joués ensemble, comme dans un orchestre avec plusieurs instruments simultanément."

Le premier biocapteur du genre

Lorsque les métasurfaces infrarouges des scientifiques sont augmentées avec l'IA, le nouveau capteur peut être utilisé pour analyser des analyses biologiques comportant plusieurs analytes simultanément des principales classes de biomolécules et résoudre leurs interactions dynamiques.

« Nous avons examiné en particulier les nanoparticules à base de vésicules lipidiques et surveillé leur rupture grâce à l'insertion d'un peptide toxique et à la libération ultérieure de cargaisons vésiculaires de nucléotides et de glucides, ainsi que la formation de plaques bicouches lipidiques supportées sur la métasurface, " dit Altug.

Cette pionnière basée sur l'IA, le biocapteur basé sur les métasurfaces ouvrira des perspectives passionnantes pour l'étude et le décryptage de processus biologiques intrinsèquement complexes, telles que la communication intercellulaire via les exosomes et l'interaction des acides nucléiques et des glucides avec les protéines dans la régulation des gènes et la neurodégénérescence.

« Nous imaginons que notre technologie aura des applications dans les domaines de la biologie, bioanalyse et pharmacologie - de la recherche fondamentale et du diagnostic des maladies au développement de médicaments, " dit Altug.