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Les chercheurs ont passé plus de trois décennies à développer et à étudier des biocapteurs miniatures capables d'identifier des molécules uniques. Dans 5 à 10 ans, lorsque de tels appareils peuvent devenir un incontournable dans les cabinets médicaux, ils pourraient détecter des marqueurs moléculaires du cancer et d'autres maladies et évaluer l'efficacité du traitement médicamenteux pour lutter contre ces maladies.
Pour y parvenir et pour augmenter la précision et la vitesse de ces mesures, les scientifiques doivent trouver des moyens de mieux comprendre comment les molécules interagissent avec ces capteurs. Des chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) et de la Virginia Commonwealth University (VCU) ont maintenant développé une nouvelle approche. Ils ont rendu compte de leurs conclusions dans le numéro actuel de Avancées scientifiques.
L'équipe a construit son biocapteur en fabriquant une version artificielle du matériel biologique qui forme une membrane cellulaire. Connu sous le nom de bicouche lipidique, il contient un petit pore, environ 2 nanomètres (milliardièmes de mètre) de diamètre, entouré de fluide. Les ions dissous dans le fluide traversent le nanopore, générer un petit courant électrique. Cependant, lorsqu'une molécule d'intérêt est entraînée dans la membrane, il bloque partiellement le passage du courant. La durée et l'ampleur de ce blocus servent d'empreinte digitale, identifier la taille et les propriétés d'une molécule spécifique.
Pour effectuer des mesures précises pour un grand nombre de molécules individuelles, les molécules d'intérêt doivent rester dans le nanopore pendant un intervalle ni trop long ni trop court (le temps « Boucle d'or »), allant de 100 millionièmes à 10 millièmes de seconde. Le problème est que la plupart des molécules ne restent dans le petit volume d'un nanopore que pendant cet intervalle de temps si le nanopore les maintient en place d'une manière ou d'une autre. Cela signifie que l'environnement des nanopores doit fournir une certaine barrière, par exemple, l'ajout d'une force électrostatique ou une modification de la forme du nanopore, ce qui rend plus difficile l'échappement des molécules.
L'énergie minimale requise pour franchir la barrière diffère pour chaque type de molécule et est essentielle pour que le biocapteur fonctionne de manière efficace et précise. Le calcul de cette quantité implique la mesure de plusieurs propriétés liées à l'énergie de la molécule lorsqu'elle entre et sort du pore.
De manière critique, l'objectif est de mesurer si l'interaction entre la molécule et son environnement résulte principalement d'une liaison chimique ou de la capacité de la molécule à se tortiller et à se déplacer librement tout au long du processus de capture et de libération.
Jusqu'à maintenant, des mesures fiables pour extraire ces composants énergétiques ont fait défaut pour un certain nombre de raisons techniques. Dans la nouvelle étude, une équipe co-dirigée par Joseph Robertson du NIST et Joseph Reiner de VCU a démontré la capacité de mesurer ces énergies avec une rapidité, méthode de chauffage au laser.
