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Est-ce de l'anthrax ou juste de la poudre blanche ?
Lorsqu'un patient est admis à l'hôpital avec des signes d'une infection bactérienne systémique dangereuse, ou lorsqu'un employé des postes trouve de la poudre blanche dans une enveloppe d'apparence suspecte, la capacité d'identifier rapidement les agents pathogènes potentiels est importante. Pour ce faire, une équipe de chercheurs du Massachusetts développe une puce microfluidique qui effectue un séquençage rapide de l'ADN pour identifier rapidement les bactéries. L'objectif est un appareil assez simple à utiliser dans les aéroports et autres contrôles de sécurité.
Un dispositif microfluidique en cours de développement par le U.S. Genomics and Draper Laboratory scanne des brins d'ADN pour identifier rapidement les bactéries dans un échantillon.
Afin d'identifier la bactérie dans un échantillon de sang ou dans le système de ventilation d'un bâtiment, les chercheurs ou les cliniciens doivent généralement commencer par la pousser à se développer en culture en laboratoire. Cela prend environ 14 à 48 heures. En attendant, un patient atteint d'une infection résistante aux médicaments peut recevoir le mauvais antibiotique, ou les travailleurs médicaux d'urgence peuvent manquer les signes d'une attaque bioterroriste potentielle.
Les chercheurs de Génomique américaine , à Woburn, MA, et Laboratoire Draper , à Cambridge, MA, travaillent ensemble pour améliorer la technologie qui permet le séquençage et l'identification des bactéries et autres agents pathogènes sans culture. Les chercheurs ne lisent pas chaque base sur un brin d'ADN, mais ils recherchent des modèles distinctifs de répétition d'une seule séquence très courte. Il n'y a que quatre éléments dans le code génétique, donc six à huit longueurs de base comme GTAGCC se produisent plusieurs fois dans tous les génomes. Mais dans chaque espèce, une telle séquence se produira selon un modèle unique. Même des souches différentes du même type de bactéries auront des modèles d'identification uniques d'une courte séquence donnée.
U.S. Genomics a construit une base de données de ces modèles, qu'elle appelle des codes à barres, pour de nombreuses espèces et souches bactériennes. Étant donné que le travail est financé par le département américain de la Sécurité intérieure, la société ne divulguera pas le nombre d'agents pathogènes contenus dans sa base de données ou ce qu'ils sont. Le scientifique Jeff Krogmeier dit que l'agence gouvernementale est intéressée par un instrument qui se trouverait dans un aéroport, un centre commercial ou un autre espace public et surveillerait en permanence l'air. Sa puce d'analyse compacte est un pas dans cette direction car elle peut identifier les bactéries sur la base de l'analyse de longs brins d'ADN qui n'ont pas besoin d'être traités de manière approfondie. Nous avons juste besoin de quelques molécules [d'ADN], dit Krogmeier.
Tout d'abord, l'ADN doit être extrait de l'échantillon et marqué avec une étiquette fluorescente qui se fixe uniquement aux endroits le long du brin où se produit la courte séquence d'intérêt. (U.S. Genomics s'efforce de simplifier cette étape, qui doit actuellement être effectuée en laboratoire.) De longues molécules uniques d'ADN sont ensuite introduites dans une puce microfluidique, où la pression hydrostatique les tire à une vitesse constante à travers un canal étroit. Lorsque l'ADN marqué circule dans le canal, il passe sur un faisceau de lumière très étroitement focalisé. Lorsque l'ADN passe au-dessus du faisceau, les marqueurs deviennent fluorescents. Les flashs de lumière des étiquettes sont enregistrés comme un code à barres et comparés à la base de données U.S. Genomics pour identifier l'organisme d'où provient l'ADN.
Dans l'incarnation actuelle des puces à ADN de l'entreprise, les motifs de codes-barres sont lus à une résolution de 0,5 micromètre. La version développée par le U.S. Genomics and Draper Laboratory utilise un guide d'ondes et des nanoantennes pour focaliser la lumière sur une taille de spot beaucoup plus petite que la moitié de sa longueur d'onde, offrant une résolution beaucoup plus élevée et permettant à l'appareil de lire des brins plus courts avec une plus grande précision. De plus, la lumière de ces antennes est 10 fois plus intense, ce qui signifie un signal plus fort, explique Jonathan Bernstein, un chercheur de Draper travaillant sur le projet. Et en concentrant la lumière avec les nanoantennes au lieu d'un objectif, les puces sont plus compactes et plus robustes.
Krogmeier dit que le département américain de la Sécurité intérieure s'intéresse non seulement à l'identification des agents pathogènes, mais également à l'identification s'ils ont été falsifiés. Un bioterroriste essayant de fabriquer de l'anthrax ou E. coli plus mortels ou plus facilement dispersés tenteraient souvent de le faire en ajoutant de longues étendues d'ADN d'un autre organisme. La puce U.S. Genomics, selon Krogmeier, serait capable de détecter une telle falsification.
Bernstein dit que les canaux microfluidiques pourraient également être utiles pour examiner des molécules en plus de l'ADN. Les techniques de laboratoire courantes comme la PCR, le processus utilisé pour faire de nombreuses copies d'un seul brin d'ADN, n'existent tout simplement pas pour étudier l'ARN et les protéines ; en conséquence, ils sont plus difficiles à identifier et à manipuler. La majeure partie de la cellule n'est pas de l'ADN, dit Bernstein. Quelque chose comme la puce microfluidique qu'il a développée pour la génomique américaine, dit-il, pourrait être très utile pour étudier d'autres molécules biologiques.