Maîtriser des molécules individuelles pour une détection de précision

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En combinant deux méthodes de recherche biologique de pointe, des scientifiques de l’EPFL sont parvenus à maîtriser presque parfaitement la manipulation des molécules individuelles, ce qui permet de les identifier et de les caractériser avec une précision sans précédent.

Aleksandra Radenovic, responsable du Laboratoire de biologie à l’échelle nanométrique de la Faculté des sciences et techniques de l’ingénieur, travaille depuis des années à l’amélioration de la technologie des nanopores, qui consiste à faire passer une molécule comme l’ADN à travers un minuscule pore d’une membrane pour mesurer un courant ionique. Les scientifiques peuvent déterminer la séquence des nucléotides de l’ADN - qui codent l’information génétique - en analysant comment chacun d’entre eux perturbe ce courant lors de son passage.

Actuellement, le passage des molécules à travers un nanopore et le moment de leur analyse dépendent de forces physiques aléatoires, et le déplacement rapide des molécules complique l’obtention d’une grande précision analytique. Aleksandra Radenovic a déjà abordé ces questions en se servant de pinces optiques et de liquides visqueux. Une collaboration avec Georg Fantner et son équipe du Laboratoire de bioet nano-instrumentation de l’EPFL a permis de réaliser l’avancée qu’elle recherchait, avec des résultats qui pourraient aller bien au-delà de l’ADN.

«Nous avons combiné la sensibilité des nanopores avec la précision de la microscopie de conductance ionique à balayage (SICM), ce qui nous permet d’examiner de près des molécules et des emplacements spécifiques et de maîtriser leur vitesse de déplacement. Cette maîtrise pourrait contribuer à combler une lacune importante dans ce domaine», déclare Aleksandra Radenovic.

Les chercheuses et chercheurs sont parvenus à cette maîtrise à l’aide d’un microscope de conductance ionique à balayage de pointe, récemment mis au point au Laboratoire de bioet nano-instrumentation. Cette nouvelle approche a récemment été publiée dans Nature Nanotechnology.

Amélioration de la précision de détection de deux ordres de grandeur

La collaboration imprévue entre les laboratoires a été initiée par le doctorant Samuel Leitão. Ses recherches portent sur la SICM, dans laquelle les variations du courant ionique circulant dans une pointe de sonde sont utilisées pour produire des données d’image 3D de haute résolution. Pour son doctorat, Samuel Leitão a développé et appliqué la technologie SICM à l’imagerie des structures cellulaires à l’échelle nanométrique , en utilisant un nanopore de verre comme sonde. Dans ses récents travaux, l’équipe a utilisé la précision d’une sonde SICM pour déplacer des molécules à travers un nanopore, plutôt que de les laisser se diffuser de manière aléatoire.

Appelée spectroscopie de conductance ionique à balayage (SICS), cette innovation ralentit la circulation des molécules à travers le nanopore, ce qui permet d’effectuer des milliers de relevés consécutifs de la même molécule, voire de différents endroits de la molécule. La possibilité de maîtriser la vitesse de circulation et de faire la moyenne de plusieurs relevés de la même molécule a permis d’augmenter le rapport signal sur bruit de deux ordres de grandeur par rapport aux méthodes classiques.

«Ce qui est particulièrement intéressant, c’est que cette capacité de détection accrue avec la SICS peut être transférée à d’autres méthodes de nanopores biologiques et à l’état solide, ce qui pourrait améliorer considérablement les applications de diagnostic et de séquençage», explique Samuel Leitão.

Georg Fantner résume la logique de l’approche à l’aide d’une analogie automobile: «Imaginez que vous regardez des voitures faire des allers-retours alors que vous êtes devant une fenêtre. Il est beaucoup plus facile de lire le numéro de leur plaque d’immatriculation si les voitures ralentissent et passent à plusieurs reprises», dit-il. «De même, nous pouvons décider de mesurer 1000 molécules différentes à chaque fois ou la même molécule 1000 fois, ce qui représente un véritable changement de paradigme dans ce domaine.»

Cette précision et cette polyvalence signifient que l’approche pourrait être appliquée à des molécules autres que l’ADN, telles que des éléments constitutifs des protéines appelés peptides, ce qui pourrait contribuer à faire progresser la protéomique ainsi que la recherche biomédicale et clinique.

«Trouver une solution pour le séquençage des peptides a été un défi important en raison de la complexité de leurs "plaques d’immatriculation", qui sont composées de 20 caractères (acides aminés), contrairement aux quatre nucléotides de l’ADN», indique Aleksandra Radenovic. «Pour moi, le plus grand espoir est que cette nouvelle maîtrise puisse ouvrir la voie au séquençage des peptides.»