Démêlage de l’ADN : Les chercheurs améliorent les mesures des nanopores en « filtrant » l’entropie

Publié le jeudi 7 décembre 2017

Un nouveau nanodispositif révolutionnaire pourrait nous rapprocher d’une médecine personnalisée, laquelle nécessite des technologies diagnostiques abordables permettant de détecter rapidement et correctement, au point d’intervention, les biomarqueurs de maladies.

Un millier de fois plus petits que le diamètre d’un cheveu humain, les nanopores sont des trous minuscules possédant l’énorme potentiel de révolutionner la médecine diagnostique personnalisée. Capables de détecter électriquement et avec une extrême précision des molécules biologiques individuelles, comme des protéines ou de l’ADN, ils annoncent l’avènement d’une nouvelle ère dans les sciences biologiques et médicales, domaines où les technologies alliant haute sensibilité, rapidité et décentralisation des points d’intervention seront appelées à jouer un rôle essentiel.

Les capacités des dispositifs à nanopores à l’état solide en matière de séquençage, de cartographie génomique et de détection des biomarqueurs sont toutefois entravées à l’heure actuelle par la tendance des molécules d’ADN d’être repliée en boule avant d’atteindre le nanopore. Il en résulte une cacophonie de signaux compliqués lors du passage des molécules à travers ce dernier. Faute d’un moyen de filtrer le bruit produit par les nombreuses conformations moléculaires disponibles, il devient difficile d’en extraire une information utile et précise.

Vincent Tabard-Cossa et Kyle Briggs devant le dispositif qu'ils ont crée.

Des chercheurs de l’Université d’Ottawa, en collaboration avec l’Université de Rochester, ont trouvé une manière astucieuse de fabriquer un nanodispositif qui contourne ce problème fondamental, en mettant au point une méthode qui change la donne en matière de détection par nanopore. Constitué de deux membranes, ce dispositif unique en son genre démêle les molécules d’ADN en les forçant à s’étirer entre deux pores. Les signaux produits sont ainsi débarrassés du brouillage induit par l’entropie de l’ADN.

« Les dispositifs à nanopores nanofiltrés que nous avons créés comportent essentiellement deux pores en série », précise Kyle Briggs, étudiant de cycle supérieur à l’Université d’Ottawa et premier auteur de ces travaux, lesquels feront l’objet d’un article publié par Nano Letters (en anglais). « Ils révèlent certaines propriétés physiques de la translocation des polymères qui étaient auparavant noyées dans le bruit. En permettant de mesurer les molécules d’ADN individuelles avec une précision considérablement améliorée, nos travaux ouvrent la voie à d’importantes applications dans les technologies de la santé, en rendant possible, par exemple, une détection beaucoup plus exacte des biomarqueurs de maladies. »

Même si la théorie et les études de simulation le laissaient entrevoir, le lien entre les configurations possibles de chaque molécule et la manière dont elle traverse le pore a longtemps échappé à la vérification expérimentale. Celle-ci n’a été rendue possible que récemment, grâce à une innovation révolutionnaire réalisée au même laboratoire : il s’agit d’une technique de nanofabrication appelée « claquage diélectrique ».

« Selon la méthode traditionnelle de fabrication, les nanopores sont pratiqués par perçage à l’aide de faisceaux d’électrons ou d’ions à haute énergie. Mais cette approche à visibilité directe est impraticable avec une structure à deux membranes, car la présence de la deuxième membrane gênerait le processus de perçage », explique Vincent Tabard-Cossa, directeur du laboratoire T.-Cossa au Centre interdisciplinaire de nanophysique de l’Université d’Ottawa. C’est là que Kyle Briggs et ses collègues chercheurs, à partir de ce genre de découvertes, tentent de mettre au point de nouveaux outils pour les sciences biologiques et médicales.

« Avec le claquage contrôlé, on obtient un nanopore essentiellement en perforant une mince membrane à l’aide d’une étincelle à échelle nanométrique », poursuit M. Tabard-Cossa. « Comme on peut contrôler avec précision sur quelle couche du dispositif cela se produira, sans avoir besoin d’une visibilité directe au site, il est maintenant possible de fabriquer un nanopore au sein d’une structure intégrée en utilisant simplement quelques piles de 9 V au lieu d’un microscope électronique coûtant des millions de dollars, comme c’était le cas auparavant. »

Le nanodispositif crée par l'équipe de chercheurs.

Le dispositif nanopore nanofiltré innovateur qui en résulte, a été mis au point avec le laboratoire de James McGrath, de l’Université de Rochester, avec la participation de Greg Madejski, étudiant au doctorat. Il comporte trois couches ultraminces : une membrane nanoporeuse de nitrure de silicium servant de préfiltre, une membrane percée d’un nanopore unique comme capteur et une couche d’espacement d’à peine 200 nm d’épaisseur. Cet arrangement crée entre les membranes une nanocavité contenant moins d’un femtolitre de liquide, soit environ un million de fois moins que la plus petite goutte d’eau. Le principe de fonctionnement du dispositif est illustré dans cette vidéo (en anglais). Le groupe de Hendrick de Haan, à l’Institut universitaire de technologie de l’Ontario, a en outre réalisé des simulations dont les résultats ont servi à étayer l’interprétation des résultats expérimentaux.

D’autres groupes de recherche avaient échoué dans leurs tentatives de fabriquer des dispositifs à deux pores en série à l’aide des techniques traditionnelles de nanofabrication. Combinée avec la membrane nanoporeuse ultramince (le nanofiltre) mise au point à l’Université de Rochester, la technique révolutionnaire de l’Université d’Ottawa, qui utilise le claquage contrôlé pour percer le nanopore de détection (le trou unique de la membrane inférieure), a été la clé qui a rendu possible la fabrication d’un nanodispositif aussi complexe avec une facilité relative et un rendement élevé.

« La nécessité de pouvoir fabriquer de petits trous à coût abordable est là », affirme Kyle Briggs. « Surtout si la technologie des nanopores doit changer la donne en matière de diagnostics moléculaires. Avec le claquage contrôlé, nous disposons de la seule méthode commercialement viable permettant de fabriquer avec précision des nanopores à l’état solide. »

Et de conclure : « En travaillant parallèlement sur les techniques permettant de contrôler le mouvement de l’ADN, comme nous le montrons dans cette étude, notre laboratoire s’attaque à deux des principaux obstacles qui empêchent encore la détection par nanopores à l’état solide de réaliser son plein potentiel. »

 

Personne-ressource pour les médias

Karyne Vienneau
Agente des relations médias
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