La nouvelle conception du capteur ressemble à une boîte à outils moléculaire qui peut être utilisée pour assembler rapidement des capteurs à diverses fins.
Une équipe de recherche interdisciplinaire de Bochum, Duisburg et Zurich a développé une nouvelle approche pour construire des capteurs optiques modulaires capables de détecter des virus et des bactéries. À cette fin, 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 anticorps aptamères aux nanotubes. L’unité de reconnaissance peut ensuite interagir avec des molécules bactériennes ou virales pour les 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 présenté ses conclusions dans le Journal de l’American Chemical Society, mis en ligne le 27 juin 2023.
Personnalisation simple des biocapteurs à nanotubes de carbone
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 gamme est fortement réduit. Dans des études antérieures, l’équipe de Sebastian Kruss avait déjà montré comment la fluorescence des nanotubes pouvait être manipulée pour détecter des biomolécules vitales. Maintenant, les chercheurs ont cherché un moyen de personnaliser les capteurs de carbone pour les utiliser avec différentes molécules cibles de manière simple.
La clé du succès était les structures d’ADN avec ce qu’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 d’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 capteur identifie différentes cibles bactériennes et virales
Le groupe a présenté le nouveau concept de capteur en utilisant la protéine de pointe du SRAS CoV-2 comme exemple. À cette fin, les chercheurs ont utilisé des aptamères, qui se lient à la protéine de pointe 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 avec des défauts quantiques de guanine était plus élevée que la sélectivité des capteurs sans ces défauts. De plus, les capteurs à défauts quantiques de guanine étaient plus stables en solution. « C’est un avantage si vous pensez à des mesures au-delà de 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, qui dirige le groupe Interfaces fonctionnelles et biosystèmes à 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.
