Un nouvel appareil cellulaire doté d’une capacité de calcul pourrait être utilisé en dehors du laboratoire

Le groupe de recherche sur la biologie synthétique pour les applications biomédicales de l’Université Pompeu Fabra de Barcelone, en Espagne, a conçu un appareil cellulaire capable de calculer en imprimant des cellules sur du papier. Pour la première fois, ils ont développé un appareil vivant qui pourrait être utilisé en dehors du laboratoire sans spécialiste, et qui pourrait être produit à l’échelle industrielle à faible coût. L’étude est publiée dans Communications de la nature et a été réalisé par Sira Mogas-Díez, Eva Gonzalez-Flo et Javier Macía.

Nous disposons actuellement de nombreux appareils électroniques tels que des ordinateurs et des tablettes dont la puissance de calcul est très efficace. Mais, malgré leur puissance, ce sont des dispositifs très limités pour détecter des marqueurs biologiques, comme ceux qui indiquent la présence d’une maladie. Pour cette raison, il y a quelques années, des «ordinateurs biologiques» ont commencé à se développer, c’est-à-dire des dispositifs cellulaires vivants capables de détecter plusieurs marqueurs et de générer des réponses complexes. En eux, les chercheurs exploitent des récepteurs biologiques qui permettent de détecter des signaux exogènes et, au moyen de la biologie synthétique, les modifient pour émettre une réponse en fonction des informations qu’ils détectent.

Jusqu’à présent, des dispositifs cellulaires ont été développés qui doivent fonctionner en laboratoire, pendant un temps limité, dans des conditions spécifiques, et doivent être manipulés par un spécialiste en biologie moléculaire. Aujourd’hui, une équipe de chercheurs de l’Université Pompeu Fabra a développé une nouvelle technologie pour «imprimer» des appareils cellulaires sur papier utilisable en dehors du laboratoire.

Fait intéressant, ils utilisent de «l’encre» de différents types de cellules avec des nutriments pour «dessiner» les circuits. Les cellules restent piégées dans le papier, vivantes et fonctionnelles, et là, elles continuent de croître et sont capables de libérer des signaux qui traversent le papier et atteignent d’autres cellules. La raison de le faire sur du papier (ou d’autres surfaces telles que des tissus) est principalement pratique; il est bon marché et facile à adapter à un usage industriel, et de grandes quantités pourraient être produites à un coût très bas. «Nous voulions concevoir un modèle évolutif et nous avons pensé à utiliser un système d’impression comme celui pour l’impression de tee-shirts», détaille Sira Mogas-Díez, première auteur de l’étude. «Nous fabriquons des moules avec notre dessin, nous le trempons avec les différentes encres cellulaires comme un tampon, le posons sur papier et les cellules sont déposées», ajoute-t-elle. Un point fort est que ces dispositifs sur papier peuvent être conservés au réfrigérateur ou peuvent même être congelés, puisque l’encre cellulaire intègre des cryoprotecteurs qui le permettent. Ainsi, contrairement aux appareils précédents, ils peuvent être stockés pendant de longues périodes avant utilisation.

Dans cette nouvelle approche, chaque élément du dispositif est un groupe de cellules, en l’occurrence des bactéries, avec des modifications génétiques minimales capables de détecter différents signaux. Les cellules vivent dans la bande de papier et communiquent entre elles, intègrent des signaux et génèrent une réponse ou une autre en fonction des différentes combinaisons de signaux détectées. Les éléments ne varient pas, mais en changeant leur disposition dans l’espace au moyen du dessin qu’ils font sur papier, les appareils peuvent être construits avec différentes fonctionnalités. «Par conséquent, l’ordre dans lequel les cellules sont placées est le logiciel, les cellules sont le matériel, et le papier est le substrat physique hébergeant ces cellules», illustre Javier Macía, coordinateur du travail.

L’équipe de recherche a conçu divers biocapteurs, dont un avec une application spécifique pour détecter le mercure. L’apport du système par rapport aux autres systèmes existants est qu’il effectue une estimation visuelle de la concentration de mercure sans nécessiter un appareil dans le laboratoire qui la mesure. En fonction de la quantité de mercure présente, plus ou moins de points apparaissent sur la bande réactive qui peuvent être comptés à l’œil nu.

Une autre application en cours de développement est basée sur la détection du choléra dans les eaux polluées. «Les établissements où il y a un risque de choléra n’ont souvent pas de laboratoire ou de spécialiste. Par conséquent, notre idée était de développer une nouvelle méthode qui nous permettrait de sortir la technologie vivante du laboratoire et de l’utiliser sur le terrain. Notre approche est intéressant de s’attaquer à ce genre de problème car il est peu coûteux et permet la production d’appareils cellulaires en quantités industrielles », explique Sira.

Une autre utilisation potentielle serait d’identifier, par exemple, le risque de pré-éclampsie. Sa détection dépend non seulement d’un seul marqueur mais d’une combinaison complexe de marqueurs. Une bandelette avec le dispositif cellulaire avec la configuration appropriée pourrait détecter les combinaisons de biomarqueurs, les analyser et déterminer le risque d’une femme enceinte de souffrir de cette maladie.

« Certes, il y a beaucoup de travail à faire, mais ces premiers résultats suggèrent que la méthodologie développée peut être le moyen de faciliter la création de produits commerciaux basés sur des dispositifs vivants », conclut Javier Macía.