Dans une récente étude publiée dans la revue Tendances TrAC en chimie analytiqueles chercheurs ont discuté des tendances actuelles, des défis et de l’avenir des capteurs à base d’acide désoxyribonucléique (ADN) dans l’analyse en temps réel et rapide des contaminants alimentaires.
L’utilisation généralisée des méthodes conventionnelles d’analyse des aliments est limitée car elles utilisent une instrumentation complexe et ont une sensibilité, une sélectivité et une précision faibles. À l’inverse, les capteurs électrochimiques et optiques à base d’ADN conçus à l’aide de nanomatériaux et de polymères fonctionnels très avancés se sont révélés très prometteurs en tant qu’outils d’analyse des aliments.
Les capteurs d’ADN appliqués pourraient détecter plusieurs types de contaminants alimentaires rapidement et en temps réel à partir d’une matrice complexe d’échantillons alimentaires avec une consommation minimale d’échantillons. Il convient de noter que les approches électrochimiques et optiques présentent des avantages et des inconvénients lorsqu’elles sont évaluées en fonction des mérites analytiques des capteurs. En conséquence, leur plage linéaire, la limite de quantification et de détection, le temps d’analyse et les performances varient lorsqu’ils sont utilisés pour tester des échantillons dans des conditions réelles.
Étude : La technologie de détection de l’ADN est un outil utile d’analyse des aliments. Crédit d’image : Art sibérien/Shutterstock
Principes de conception et de détection des capteurs à base d’ADN
De tous les contaminants alimentaires, les contaminants chimiques et biologiques sont les plus difficiles à détecter. En fait, l’intoxication alimentaire par des microbes infectieux et des produits chimiques entraîne deux millions de décès par an. Par conséquent, il est devenu crucial d’évaluer les produits alimentaires plusieurs fois au fur et à mesure qu’ils sont produits et livrés aux utilisateurs, c’est-à-dire tout au long de leur parcours « de la ferme à la table ». Récemment, une analyse plus vigoureuse de la contamination des aliments est devenue une priorité dans le monde entier pour atténuer la propagation du coronavirus 2 du syndrome respiratoire aigu sévère (SRAS-CoV-2).
Les nanoparticules créent un système de détection au sein d’un biocapteur avec une surface importante et des propriétés avancées. La majorité des nanomatériaux issus de l’ingénierie chimique, y compris les nanotubes de carbone (CNT) et les nanoparticules magnétiques (MNP), utilisés dans la conception de capteurs pourraient tous potentiellement détecter des contaminants alimentaires biologiques et chimiques et des allergènes.
Plus récemment, l’ADN est devenu un nanomatériau avancé car il est facile à synthétiser et peut adopter différentes configurations, telles que les tétraèdres, les hydrogels et la triple hélice. L’utilisation de l’ADN a également donné naissance à une pléthore de conceptions de capteurs, tels que les DNAzymes, les switch DNA, les Guanine-quadruplexes, les balises moléculaires, etc. – détection sur site des contaminants alimentaires.
Un autre composant critique d’un biocapteur est un récepteur de biocapteur approprié. Les aptamères sont des chaînes d’ADN simple brin ou d’acide ribonucléique (ARN) et ont une constante de liaison de haute affinité pour leur cible. À l’aide d’un in vitro processus de sélection et évolution systématique des ligands par enrichissement exponentiel (SELEX), les chercheurs ont créé des aptamères pour plus de 100 protéines à intégrer dans des biocapteurs électrochimiques et optiques. Ces biocapteurs détectent rapidement divers agents pathogènes microbiens, pesticides, allergènes et additifs toxiques dans les aliments.
Plusieurs technologies à base d’aptamères utilisant l’activité de l’exosome III, l’activité Cas12a de répétitions palindromiques courtes régulièrement espacées (CRISPR) se sont révélées prometteuses et sont alignées pour la production. De plus, les nanodispositifs d’ADN, tels que les balises moléculaires, les portes logiques d’ADN et les marcheurs d’ADN sont extrêmement sensibles aux stimuli externes et peuvent être personnalisés pour donner des signaux simples à multiples. De toute évidence, les technologies d’amplification du signal d’ADN, telles que l’amplification isotherme et l’amplification en cercle roulant (RCA), ont révolutionné les applications de détection d’ADN alimentaire.
De même, des approches d’ADN avec ou sans étiquette pourraient être utilisées pour la détection des contaminants alimentaires. Notamment, un marqueur offre un signal de sortie en corrélation avec la concentration et la présence ou non de l’analyte. Bien que chronophages et coûteux, les biocapteurs à base d’ADN marqués offrent une plus grande spécificité que ceux sans étiquette car ils ne subissent qu’une seule fois des changements de signal en raison de l’interaction entre la cible et le biorécepteur. Faire varier l’intensité du signal en augmentant ou en diminuant la distance entre l’étiquette et le transducteur pourrait aider à développer des biocapteurs « signal activé » et « signal désactivé ». Les biocapteurs sans étiquette quantifient les réactions biomoléculaires en temps réel, sont peu coûteux et détectent les petites molécules ; cependant, ils manquent souvent de sélectivité.
conclusion
Avant la commercialisation, les problèmes de stabilité et de reproductibilité des capteurs à base d’ADN doivent être résolus. Les autres défis incluent la courte durée de vie et les conditions de stockage des molécules d’ADN et la miniaturisation des capteurs. Étant donné que la plupart de leurs applications trouvent une base dans des études de preuve de concept, les capteurs à base d’ADN actuellement utilisés ont une faible capacité de détection sur site de contaminants dans des échantillons alimentaires. Par conséquent, il est urgent de tester ces appareils avec des ensembles d’échantillons plus importants. De plus, il est nécessaire d’adopter une approche intégrée et de ne pas sous-estimer le rôle du prétraitement des échantillons alimentaires tout en évaluant la sélectivité et la sensibilité des capteurs.
Dans l’ensemble, il existe un besoin impérieux d’améliorer continuellement le développement des processus pour réduire les coûts et traduire les études de preuve de concept en dispositifs de biocapteurs commercialisables. Le nombre croissant de brevets et de publications pour les biocapteurs à base d’ADN montre que des biocapteurs faciles à utiliser qui pourraient tester les aliments à domicile pour différents contaminants seront bientôt accessibles au plus grand nombre.
