ARN sur puce

Depuis que les biopuces, telles que les puces à ADN, sont apparues en 1996, les chercheurs se sont précipités pour augmenter leur capacité de diagnostic. Aujourd'hui, une équipe de recherche de l'Université de Yale dirigée par le professeur de biologie Ronald Breaker a produit un prototype de puce à ADN à base d'ARN qui promet de mettre un puissant laboratoire de diagnostic sur une puce de la taille d'un sou.

Pendant des années, Breaker a bricolé la théorie selon laquelle l'ARN, et non l'ADN, était le composant fondamental de la vie il y a 3,5 milliards d'années. Contrairement à l'ADN, la bibliothèque contenant notre code génétique ARN est dynamique, exécutant les instructions dans l'entrepôt d'ADN et orchestrant la synthèse des protéines.

En 1995, Breaker et son équipe ont commencé à ressusciter ce monde d'ARN éteint dans un tube à essai et ont réussi à concevoir des commutateurs moléculaires à base d'ARN dans l'effort. (Un interrupteur moléculaire est une molécule qui est activée ou désactivée par une autre molécule ou composé.)

Tableau pour l'ARN

Avec des dizaines de ces commutateurs à portée de main, pensa Breaker, pourquoi ne pas les disposer sur une surface et créer un ensemble de biocapteurs qui utilisent l'ARN pour mesurer ou détecter des composés ? En concevant les commutateurs à ARN pour détecter de nombreux types de composés différents, Breaker savait que le potentiel de sa puce pouvait surpasser celui d'une puce à ADN, qui identifie des séquences d'ADN ou d'ARN spécifiques et rien d'autre.

Pour créer le prototype, Breaker a placé les commutateurs ARN sur une surface de silicium recouverte d'or et les a disposés en grappes. Chaque commutateur a été conçu pour se lier uniquement à une molécule spécifique - sa cible - puis pour libérer un signal qui identifie la molécule cible. (Dans le prototype, les commutateurs ont émis un signal radioactif.)

Comme indiqué dans le mois d'avril Biotechnologie naturelle , Breaker et son équipe ont testé la gamme de commutateurs à ARN sur une variété de mélanges complexes. Dans une expérience, ils ont réussi à identifier différentes souches de E. coli trouvés dans les cultures bactériennes.

Les implications sont alléchantes. La capacité de la matrice à identifier simultanément un nombre potentiellement important de composés, combinée à l'exclusivité précise de chaque commutateur, s'ajoute à une recette pour un laboratoire puissant et étendu sur une tranche de silicium de la taille d'un sou.

Superpuce à ARN

L'invention de Breaker ouvre la voie à de futures puces à ARN capables de révéler la composition moléculaire de mélanges complexes, comme le sérum sanguin et les déchets industriels, de manière bien plus complète que les biopuces actuelles.

Des versions avancées de notre biopuce à ARN pourraient être utilisées pour de nombreuses cibles différentes comme les médicaments, les toxines et les métabolites, ainsi que les protéines et les acides nucléiques, explique Breaker. Ils devraient être capables de détecter presque tout ce à quoi l'ARN peut être amené à se lier.

De plus, le succès préliminaire des travaux de Breaker inaugure une nouvelle ère de ce que l'on pourrait appeler des « réseaux actifs », déclare Gerald Joyce, biologiste moléculaire au Scripps Research Institute de La Jolla, en Californie. En effet, il devrait être possible de concevoir des commutateurs ARN pour faire des choses bien plus extraordinaires que l'identification de cibles, dit Breaker. La régulation de l'expression des gènes en est un exemple.

Un autre avantage des commutateurs ARN est leur capacité à résister à l'environnement parfois imprévisible et difficile en dehors du laboratoire. Breaker les compare à une biopuce à protéines et dit que cette dernière, si elle est accidentellement chauffée, frit comme un œuf. Les protéines se déploient et vous ne pourrez plus jamais reconstituer les structures complexes, dit-il.

Les commutateurs RNA de Breaker ont été conçus pour se replier dans leur forme d'origine après chauffage. Ce caractère snap-back donnera aux biopuces à ARN un avantage considérable pour une utilisation dans des environnements de test plus exotiques, affirme Breaker.

S'y rendre à partir d'ici

La prochaine étape pour les commutateurs ARN est assez claire, dit Joyce. Ils doivent être conçus pour libérer un signal fluorescent plutôt que radioactif. Cette amélioration permettrait aux laboratoires d'utiliser des équipements déjà existants et de contourner la bureaucratie réglementaire, permettant ainsi le développement rapide d'une puce à ARN contenant jusqu'à 1 000 commutateurs. Et c'est l'objectif de l'analyse parallèle massive des réseaux de biocapteurs sur la plus petite surface possible.

Breaker dit que son objectif est de mettre la capacité d'un millier de scientifiques dans une puce de la taille d'un centime tout en générant les réponses que vous voulez mille fois plus rapidement. En plus de la recherche biomédicale, il voit de nombreuses utilisations d'une puce à ARN dans divers domaines comme le génie chimique, les sciences de l'environnement et même la défense biologique et chimique.

Cependant, il existe encore des obstacles, notamment avec les coûts de fabrication, la stabilité chimique des commutateurs et certains des points les plus fins de la reconnaissance moléculaire.

Cette technologie est si nouvelle qu'on ne sait pas exactement combien de composés différents il sera possible de reconnaître, explique Andrew Ellington, biochimiste à l'Université du Texas. Par exemple, il n'y a pas d'exemples publiés de reconnaissance de protéines. De plus, l'ARN est vulnérable à certains produits chimiques souvent trouvés dans des situations de test qui peuvent désintégrer un commutateur.

L'équipe de Breaker travaille sur des solutions à certains de ces problèmes, comme l'élimination de tous les composés destructeurs d'ARN des échantillons de test. Ils travaillent également à l'ingénierie de l'ADN afin qu'il puisse effectuer certaines fonctions de type ARN.

Cela pourrait rendre ces milliers de scientifiques sur une puce encore plus intelligents.

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