Dans les organismes vivants, les cellules ont une très grande capacité à traiter et à communiquer des informations en déplaçant des molécules ou des ions à travers de minuscules canaux qui traversent la membrane cellulaire. Le laboratoire de Marco Rolandi, professeur de génie électrique et informatique à l'UC Santa Cruz, et ses collaborateurs du MIT ont créé un dispositif qui imite ce concept biologique afin de détecter les maladies.

Grâce à leur système bioprotonique, un dispositif qui intègre des composants électroniques à des composants biologiques et utilise des courants électriques de protons, les chercheurs peuvent détecter des biomolécules indiquant la présence d'une maladie humaine, entre autres applications. Les détails sur cet appareil sont publiés dans la revue Nature Communications .

"Les cellules ont tendance à être interconnectées :elles communiquent entre elles ou avec l'environnement extérieur en utilisant ces canaux intermembranaires", a déclaré Rolandi. "Ce que nous avons décidé de faire avec nos collaborateurs du MIT était de créer un canal ionique artificiel de manière à pouvoir ajuster les propriétés du canal ionique et ses fonctionnalités comme nous le souhaitons."

En utilisant une technique appelée origami ADN, les chercheurs du MIT peuvent bio-ingénierier un brin d'ADN, qui forme naturellement la forme d'une double hélice, pour lui donner la forme de leur choix. Pour ce projet, ils ont créé un minuscule tunnel spécialement programmé pour qu’un flux de protons (H-plus) puisse le traverser de manière optimale. Ce minuscule canal est connu sous le nom de nanopore, un concept initialement lancé à l'UCSC.

Le nanopore d'ADN se trouve au sein du système bioprotonique de Rolandi, conçu pour imiter le monde aqueux et conducteur d'ions de l'environnement cellulaire. Une double couche de lipides semblable à une membrane cellulaire sépare l'eau représentant l'environnement extérieur d'une cellule d'une électrode représentant l'intérieur d'une cellule, et le nanopore incorporé agit comme un canal entre les deux côtés.

L'électrode envoie un flux de protons à travers le canal du nanopore vers l'autre côté du nanopore, où se trouve un site de liaison moléculaire qui peut être personnalisé afin que des biomolécules spécifiques d'intérêt s'y attachent. Si l'une de ces molécules est présente dans l'eau, elle se fixera à une extrémité du nanopore et bloquera le flux de protons à travers le canal.

L'appareil traduit le signal protonique en un signal électronique que les chercheurs peuvent lire. Lorsque l'appareil ne détecte pas les protons circulant dans le canal, les chercheurs savent qu'une biomolécule est présente.

Le dispositif comprend également deux poignées en cholestérol qui se positionnent sur la bicouche lipidique et améliorent la conductivité des protons à travers le canal nanopore.

"Le caractère unique de l'approche réside dans la combinaison de ces dispositifs conducteurs de protons avec des bicouches lipidiques de soutien, et je crois que nous sommes les seuls groupes à travailler sur ceux-ci, avec cette conception de quai pour les nanopores d'ADN", a déclaré Rolandi. "La nouveauté réside à la fois dans l'intégration du dispositif et dans la capacité de détection à l'aide de ces nanopores d'ADN."

Dans cet article, les chercheurs montrent qu'ils sont capables d'utiliser le système bioprotonique pour la détection du peptide natriurétique de type B, un indicateur de maladie cardiaque. Cela montre le potentiel de l'appareil à être utilisé pour la détection de biomolécules dans un contexte in vitro ou clinique.

À l'avenir, les chercheurs envisagent que l'appareil pourrait contenir plusieurs nanopores, chacun programmé pour détecter un type différent de biomolécule.

"Cela fait certainement partie de l'attrait du système :dans un avenir proche, nous pourrions multiplexer, ce qui nous permettrait d'avoir une suite complète de biocapteurs", a déclaré Rolandi.

Les chercheurs de l'UCSC Le (Dante) Luo, Yunjeong Park et Jesse Vicente ont contribué à cet article. Des chercheurs de l'Université de Washington et de l'Université d'économie et de technologie TOBB d'Ankara, en Turquie, ont également participé à ce projet.

Plus d'informations : Le Luo et al, Nanopores d'ADN comme canaux membranaires artificiels pour la bioprotonique, Nature Communications (2023). DOI :10.1038/s41467-023-40870-1

Informations sur le journal : Communications naturelles

Fourni par l'Université de Californie - Santa Cruz