Comment construire un meilleur biocapteur “ nanopore ” – Technoguide

Les chercheurs ont passé plus de trois décennies à développer et à étudier des biocapteurs miniatures capables d’identifier des molécules uniques. Dans cinq à dix ans, lorsque de tels dispositifs pourraient devenir un aliment de base dans les cabinets de médecins, 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 rapidité 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 découvertes dans le numéro actuel de Science Advances.

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 minuscule pore d’environ 2 nanomètres (milliardièmes de mètre) de diamètre, entouré de fluide. Les ions dissous dans le fluide traversent le nanopore, générant un petit courant électrique. Cependant, lorsqu’une molécule d’intérêt est enfoncée dans la membrane, elle bloque partiellement la circulation du courant. La durée et l’ampleur de ce blocage servent d’empreinte digitale, identifiant 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 “Goldilocks”), 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 pendant cet intervalle de temps que si le nanopore les maintient en place. Cela signifie que l’environnement des nanopores doit fournir une certaine barrière – par exemple, l’ajout d’une force électrostatique ou un changement de forme du nanopore – 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 consiste à mesurer plusieurs propriétés liées à l’énergie de la molécule lors de son entrée et de sa sortie du pore.

De manière critique, l’objectif est de mesurer si l’interaction entre la molécule et son environnement provient 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 présent, il manquait des mesures fiables pour extraire ces composants énergétiques pour un certain nombre de raisons techniques. Dans la nouvelle étude, une équipe codirigée par Joseph Robertson du NIST et Joseph Reiner de VCU a démontré la capacité de mesurer ces énergies avec une méthode de chauffage rapide basée sur le laser.

Les mesures doivent être effectuées à des températures différentes et le système de chauffage laser garantit que ces changements de température se produisent rapidement et de manière reproductible. Cela permet aux chercheurs d’effectuer des mesures en moins de 2 minutes, par rapport aux 30 minutes ou plus qu’il faudrait autrement.

«Sans ce nouvel outil de chauffage au laser, notre expérience suggère que les mesures ne seront tout simplement pas effectuées; elles prendraient trop de temps et coûteraient trop cher», a déclaré Robertson. «Essentiellement, nous avons développé un outil qui peut changer le pipeline de développement des capteurs nanopores afin de réduire rapidement les conjectures impliquées dans la découverte de capteurs», a-t-il ajouté.

Une fois les mesures d’énergie effectuées, elles peuvent aider à révéler comment une molécule interagit avec le nanopore. Les scientifiques peuvent ensuite utiliser ces informations pour déterminer les meilleures stratégies de détection de molécules.

Par exemple, considérons une molécule qui interagit avec le nanopore principalement par des interactions chimiques – essentiellement électrostatiques. Pour atteindre le temps de capture de Boucle d’or, les chercheurs ont expérimenté la modification du nanopore afin que son attraction électrostatique vers la molécule cible ne soit ni trop forte ni trop faible.

Avec cet objectif à l’esprit, les chercheurs ont démontré la méthode avec deux petits peptides, de courtes chaînes de composés qui forment les éléments constitutifs des protéines. L’un des peptides, l’angiotensine, stabilise la pression artérielle. L’autre peptide, la neurotensine, aide à réguler la dopamine, un neurotransmetteur qui influence l’humeur et peut également jouer un rôle dans le cancer colorectal. Ces molécules interagissent avec les nanopores principalement par le biais de forces électrostatiques. Les chercheurs ont inséré dans les nanoparticules d’or nanoporeuses recouvertes d’un matériau chargé qui a stimulé les interactions électrostatiques avec les molécules.

L’équipe a également examiné une autre molécule, le polyéthylène glycol, dont la capacité à se déplacer détermine le temps qu’il passe dans le nanopore. Ordinairement, cette molécule peut bouger, tourner et s’étirer librement, sans être encombrée par son environnement. Pour augmenter le temps de séjour de la molécule dans le nanopore, les chercheurs ont modifié la forme du nanopore, rendant plus difficile pour la molécule de se faufiler à travers la minuscule cavité et de sortir.

«Nous pouvons exploiter ces changements pour construire un biocapteur nanopore adapté à la détection de molécules spécifiques», déclare Robertson. En fin de compte, un laboratoire de recherche pourrait utiliser un tel biocapteur pour identifier des molécules biologiques d’intérêt ou un cabinet médical pourrait utiliser l’appareil pour identifier des marqueurs de maladie.

«Nos mesures fournissent un plan sur la façon dont nous pouvons modifier les interactions du pore, que ce soit par la géométrie ou la chimie, ou une combinaison des deux, pour adapter un capteur nanopore pour détecter des molécules spécifiques, compter un petit nombre de molécules, ou les deux “dit Robertson.

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