Une équipe de recherche interdisciplinaire de Bochum, Duisburg et Zurich a développé une nouvelle approche pour construire des capteurs optiques modulaires capables de détecter les virus et les bactéries. Les chercheurs ont utilisé des nanotubes de carbone fluorescents avec un nouveau type d'ancres d'ADN qui agissent comme des poignées moléculaires.
Les structures d'ancrage peuvent être utilisées pour conjuguer des unités de reconnaissance biologique telles que des aptamères d'anticorps aux nanotubes. L'unité de reconnaissance peut ensuite interagir avec des molécules bactériennes ou virales jusqu'aux nanotubes. Ces interactions affectent la fluorescence des nanotubes et augmentent ou diminuent leur luminosité.
Une équipe composée du professeur Sebastian Kruss, de Justus Metternich et de quatre collègues de l'université de la Ruhr à Bochum (Allemagne), de l'institut Fraunhofer pour les circuits et systèmes microélectroniques et de l'ETH Zurich a publié ses conclusions dans le Journal of the American Chemical Society , mis en ligne le 27 juin 2023.
L’équipe a utilisé des nanocapteurs tubulaires en carbone et d’un diamètre inférieur à un nanomètre. Lorsqu’ils sont irradiés par la lumière visible, les nanotubes de carbone émettent de la lumière dans le proche infrarouge. La lumière proche infrarouge n’est pas visible à l’œil humain. Cependant, il est parfait pour les applications optiques, car le niveau des autres signaux dans cette plage est fortement réduit.
Dans des études antérieures, l'équipe de Sebastian Kruss avait déjà montré comment manipuler la fluorescence des nanotubes afin de détecter des biomolécules vitales. Les chercheurs ont désormais cherché un moyen de personnaliser facilement les capteurs de carbone pour les utiliser avec différentes molécules cibles.
La clé du succès réside dans les structures d’ADN présentant ce que l’on appelle des défauts quantiques de guanine. Cela impliquait de lier des bases d’ADN au nanotube pour créer un défaut dans la structure cristalline du nanotube. En conséquence, la fluorescence des nanotubes a changé au niveau quantique. De plus, le défaut a agi comme une poignée moléculaire qui a permis d'introduire une unité de détection, qui peut être adaptée à la molécule cible respective dans le but d'identifier une protéine virale ou bactérienne spécifique.
"Grâce à la fixation de l'unité de détection aux ancres ADN, l'assemblage d'un tel capteur ressemble à un système de blocs de construction, sauf que les pièces individuelles sont 100 000 fois plus petites qu'un cheveu humain", explique Sebastian Kruss.
Le groupe a présenté le nouveau concept de capteur en utilisant comme exemple la protéine de pointe du SRAS CoV-2. À cette fin, les chercheurs ont utilisé des aptamères, qui se lient à la protéine Spike du SRAS CoV-2. "Les aptamères sont des brins d'ADN ou d'ARN repliés. En raison de leur structure, ils peuvent se lier sélectivement aux protéines", explique Justus Metternich. "Dans la prochaine étape, on pourrait transférer le concept aux anticorps ou à d'autres unités de détection."
Les capteurs fluorescents ont indiqué la présence de la protéine SARS-CoV-2 avec un haut degré de fiabilité. La sélectivité des capteurs présentant des défauts quantiques de guanine était supérieure à la sélectivité des capteurs sans ces défauts. De plus, les capteurs présentant des défauts quantiques de guanine étaient plus stables en solution.
"C'est un avantage si l'on considère les mesures au-delà des simples solutions aqueuses. Pour les applications de diagnostic, nous devons mesurer dans des environnements complexes, par exemple avec des cellules, dans le sang ou dans l'organisme lui-même", explique Sebastian Kruss, responsable des interfaces fonctionnelles et Biosystems Group de l'Université de la Ruhr à Bochum et est membre du Ruhr Explores Solvation Cluster of Excellence (RESOLV) et de l'International Graduate School of Neuroscience.
Plus d'informations : Justus T. Metternich et al, Biocapteurs fluorescents dans le proche infrarouge basés sur des ancres d'ADN covalentes, Journal of the American Chemical Society (2023). DOI : 10.1021/jacs.3c03336
Informations sur le journal : Journal de l'American Chemical Society
Fourni par Ruhr-Universitaet-Bochum
