La nanobiotech fait le diagnostic

En regardant un compteur électrique, Yi Cui, un étudiant diplômé du laboratoire du chimiste Charles Lieber de l'Université Harvard, attend la preuve d'un exploit remarquable dans des diagnostics simples et ultrasensibles. Sa cible est le cancer de la prostate. Son nouvel outil est une puce électronique comportant 10 fils de silicium, chacun d'à peine 10 nanomètres (milliardièmes de mètre) de large. Ces nanofils ont été recouverts de molécules biologiques ayant une affinité pour le PSA, une protéine trop familière aux hommes d'un certain âge comme signe révélateur du cancer de la prostate. Si l'expérience fonctionne comme prévu, lorsque les molécules de PSA se lieront aux nanofils, il y aura un signal électrique détectable.

Cui lave une solution contenant des protéines du cancer de la prostate sur la puce. Immédiatement, le compteur enregistre des changements subtils, indiquant non seulement que l'appareil a détecté la protéine, mais qu'il a détecté peut-être aussi peu que trois ou quatre molécules, instantanément et avec une préparation d'échantillon minimale, un exploit inédit. Les implications pour le diagnostic sont énormes. Un test réussi du cancer de la prostate doit faire la distinction entre les niveaux de protéines normaux et élevés. Des capteurs ultrasensibles comme celui de Lieber pouvaient discerner la moindre augmentation ; de plus, ils pourraient le faire dans le cadre de tests jetables bon marché que les patients pourraient utiliser à la maison entre les visites chez le médecin. Si j'étais à risque d'un cancer particulier, je ne voudrais pas prendre le risque d'attendre que certaines cellules cancéreuses se développent de manière incontrôlable pendant un an parce que le test précédent l'a raté, dit Lieber.

Cette histoire faisait partie de notre numéro de mai 2002

• Voir le reste du numéro
• S'abonner

Bien que ce dispositif à nanofils ne soit qu'un prototype expérimental, il est à la pointe d'un effort croissant dans les laboratoires du monde entier pour marier la nanoélectronique et la biologie dans un nouveau domaine appelé nanobiotechnologie. Cette discipline hybride produit une variété d'outils, des réseaux de minuscules capteurs capables de détecter des molécules biologiques spécifiques aux systèmes microscopiques taillés dans le silicium qui peuvent lire des brins individuels d'ADN capables de fournir une nouvelle fenêtre sur les molécules biologiques.

Les implications pour la médecine et la biotechnologie sont multiples. En plus de renifler les moindres bouffées de maladie - ou peut-être de détecter une seule spore d'anthrax - ces dispositifs pourraient permettre un diagnostic beaucoup plus rapide et plus facile de maladies complexes. Par exemple, ils pourraient fournir des alertes précoces sur les crises cardiaques, dont les cartes de visite sont des changements subtils dans le mélange de dizaines de protéines. Alternativement, une seule puce électronique pourrait fournir un diagnostic complet à partir d'une goutte de sang. Et pour les chercheurs en médicaments, les gadgets nanobiotechnologiques pourraient signifier de nouveaux outils pour découvrir et évaluer plus rapidement des médicaments potentiels, en criblant des millions de candidats-médicaments différents à la fois. Certains de ces objectifs plus ambitieux prendront probablement des années à atteindre, mais la nanobiotechnologie pourrait conduire à de véritables dispositifs qui commenceront à remplacer les procédures de laboratoire lourdes par des micropuces précises et bon marché en aussi peu que deux ans.

Ces premiers produits - des puces truquées pour détecter une maladie spécifique ou un groupe de troubles génétiques - sont déjà en cours de développement dans près d'une douzaine de startups nanobiotechnologiques (voir Détecter le succès ) . Larry Bock, PDG de Palo Alto, startup basée en Californie Nanosys [ ENFANTS membre du conseil d'administration, Robert Metcalfe est cofondateur et directeur de Nanosys. Ed.], qui a autorisé la technologie de Lieber, prédit que son entreprise commercialisera un capteur commercial d'ici trois ans, d'abord comme outil de recherche pour dépister rapidement des médicaments potentiels, et plus tard comme test à domicile bon marché et jetable pour le cancer de la prostate et peut-être d'autres cancers. Les gens parlent de toutes les merveilles de la nanotechnologie, mais disent ensuite que cela n'arrivera pas avant 20 ans, explique Chad Mirkin, chimiste et directeur de l'Institute for Nanotechnology de la Northwestern University. Mais c'est absolument incorrect pour des choses comme les diagnostics. Vous allez voir des produits sur le marché dans les deux prochaines années.

Le pouvoir du nombre

La biologie et l'électronique ont longtemps existé dans des univers séparés. Mais parce que les molécules biologiques, comme l'ADN et les protéines, mesurent environ quelques nanomètres, et parce que les physiciens et les chimistes apprennent maintenant à fabriquer des appareils électroniques exactement à cette échelle de taille, ces univers entrent en collision. Le résultat est une nouvelle classe de dispositifs qui combine la capacité des molécules biologiques à se lier sélectivement à d'autres molécules avec la capacité de la nanoélectronique à détecter instantanément les légers changements électriques provoqués par une telle liaison. Ce qui est vraiment intéressant à propos de cette technologie, c'est qu'elle permet de prendre les composants inorganiques qui seraient normalement nichés à l'intérieur d'une puce électrique et de les combiner avec des molécules biologiques, explique Paul Alivisatos, cofondateur scientifique de Nanosys et chimiste à l'Université de Californie à Berkeley. .

En effet, des dispositifs nanoélectroniques comme celui construit dans le laboratoire de Lieber (voir Fil sensible ) pourrait se passer de l'appareil élaboré maintenant nécessaire pour la détection ultrasensible. Si vous vouliez faire la détection d'une molécule unique dans un laboratoire aujourd'hui, vous auriez besoin d'un laser de la longueur d'un bureau et de nombreuses optiques sophistiquées, des étiquettes chimiques pour amplifier suffisamment le signal pour pouvoir le voir, dit Bock.

Réduire suffisamment ces dispositifs ultrasensibles pour qu'ils puissent être placés sur des puces pourrait avoir de nombreuses applications dans le diagnostic. Le chimiste de l'Université de Stanford, Hongjie Dai, par exemple, a construit un appareil capable de détecter le glucose avec un seul nanotube de carbone, une grosse molécule de carbone dotée d'excellentes propriétés électriques. (voir L'ordinateur à nanotubes , ENFANTS mars 2002) . Les molécules de glucose réagissent avec les molécules à la surface du nanotube, créant des signaux électriques qui correspondent aux concentrations de glucose, dit-il. Bien qu'il ne s'agisse aujourd'hui que d'une preuve de concept, un tel dispositif pourrait être développé en un capteur de glucose implantable pour les diabétiques. En décembre, Dai a lancé Molecular Nanosystems à Palo Alto, en Californie, pour commercialiser des dispositifs à base de nanotubes, notamment des biocapteurs.

Pour de nombreuses applications, cependant, ce qui est vraiment nécessaire, ce n'est pas un seul nano-détecteur, mais un réseau dense d'entre eux. De cette façon, vous pouvez rechercher rapidement des milliers, voire des millions de molécules biologiques différentes dans une seule goutte de sang ou d'autres fluides corporels, ce qui permet le diagnostic de maladies qui ont des signatures moléculaires complexes. L'une de ces maladies est la polyarthrite rhumatoïde, une maladie auto-immune avec de nombreuses variantes, chacune marquée par de subtiles différences dans les groupes de protéines. Idéalement, chaque variante serait combattue avec un traitement légèrement différent ; en pratique, les malades sont aujourd'hui généralement traités de la même manière. Mais, dit Dai, un nano-réseau pourrait servir de dispositif de diagnostic très précis et discriminant, fournissant une feuille de route pour un traitement personnalisé.

Ces réseaux de nanodétecteurs promettent des avantages par rapport aux technologies existantes, comme les puces à ADN, et celles en cours de développement, comme les puces à protéines. Toutes ces puces nécessitent un marquage fluorescent des molécules et des microscopes optiques pour détecter la lueur émise lors de la liaison. (voir Les puces à ADN ciblent le cancer, ENFANTS juillet / août 2001) . De plus, environ un millier de molécules doivent se lier à chaque élément de détection pour créer la lueur. Avec la nanoélectronique, aucun équipement encombrant et coûteux n'est nécessaire et la détection instantanée de quelques molécules seulement est possible.

Fil sensible

Pour détecter une protéine liée à une maladie dans un échantillon de sang, un fil de silicium d'à peine 10 nanomètres de large est recouvert de biomolécules qui se lient uniquement à cette protéine (ci-dessous). Lorsque la protéine de la maladie se lie à une molécule sur le fil (encart), la conductance du fil change, fournissant un signal électrique instantané.

ADN collant

Mais les capteurs dotés de caractéristiques nanométriques ne peuvent réussir que s'ils sont suffisamment collants pour saisir les molécules d'intérêt. Mirkin de Northwestern voit de la valeur dans l'or : en particulier, des particules d'or à l'échelle nanométrique, auxquelles il appose plusieurs fragments d'ADN qui peuvent s'accrocher à des cibles d'ADN. Chaque particule d'or devient comme du Velcro, dit-il. Au cours des 18 prochains mois, dit Mirkin, lui et ses collègues construiront un dispositif de diagnostic simple, pour cabinet médical, capable de diagnostiquer instantanément des maladies ou des prédispositions à la maladie, en fonction des fragments d'ADN utilisés sur l'appareil. Des puces seront construites pour des groupes de maladies, explique Mirkin, y compris les maladies sexuellement transmissibles, la mucoviscidose et les prédispositions génétiques au cancer du côlon et à l'hypercoagulation sanguine (sang qui coagule excessivement).

Le prototype de puce de Mirkin, en cours de développement par Nanosphere, une société qu'il a cofondée, basée à Northbrook, utilise l'ADN déposé entre les électrodes sur une micropuce pour reconnaître les cibles d'intérêt. Un échantillon est mélangé avec ces particules d'or Velcro et lavé sur la puce. Si l'échantillon contient l'ADN ciblé, par exemple le matériel génétique de la bactérie de la syphilis, l'ADN se liera à ces particules d'or collantes, puis aux fragments d'ADN entre les électrodes. Les particules d'or ferment le circuit et produisent un signal détectable. Plus il y a d'éléments de détection d'électrodes par puce, plus on peut détecter de maladies ou de prédispositions génétiques.

Le groupe de Mirkin adapte un processus connu sous le nom de nanolithographie au stylo plongeant pour acquérir la capacité d'imprimer littéralement des molécules d'ADN entre des électrodes distantes de seulement 200 nanomètres. Mirkin espère emballer des centaines, voire des milliers d'éléments de détection d'électrodes sur une seule puce.

Molécules d'impression Dans la nanolithographie au stylo plongeant, les molécules sont imprimées directement sur la surface d'une puce.

Des réseaux de cantilevers (ci-dessus) déposent des millions, voire des milliards, de molécules différentes sur une surface ; dans les cas où les molécules imprimées se lient à des gènes ou à des protéines spécifiques, la puce peut être utilisée pour diagnostiquer des maladies ou découvrir des médicaments. Chaque cantilever, ou stylo, a une pointe en silicium (à gauche) de quelques atomes de large à son extrémité. Lorsque la pointe se déplace latéralement, les molécules attachées à ses côtés sont attirées vers la surface par un ménisque d'eau qui se forme sous la pointe. Le mouvement vertical de chaque porte-à-faux est contrôlé thermiquement, permettant aux stylos individuels de démarrer et d'arrêter l'impression.

La technologie de Mirkin peut trouver de l'ADN spécifiquement ciblé dans un échantillon. Mais si vous pouviez réellement saisir un seul morceau d'ADN et lire directement ses gènes, vous pourriez, en théorie, identifier n'importe quel gène, ou même des modèles de gènes complexes. À l'aide d'outils adaptés de la fabrication de semi-conducteurs, le physicien Harold Craighead du Cornell's Center for Nanobiotechnology et son ancien postdoctorant Stephen Turner ont construit une puce de silicium contenant de minuscules canaux, chacun de 50 nanomètres de largeur et de profondeur. (voir Pipeline d'ADN , au dessous de) . Le canal est si petit qu'un seul brin d'ADN peut à peine passer à travers - et c'est juste le but. Un champ électrique fait que la boule d'ADN normalement enroulée heurte le canal, se déroule et s'enfile vers le bas.

Une fois saisi, l'ADN doit être lu pour voir, par exemple, s'il contient une séquence spécifique. Pour rendre une séquence lisible, les chercheurs ajoutent au préalable des sondes d'ADN marquées par fluorescence à l'échantillon ; les sondes se lient aux séquences cibles. Au fur et à mesure que chaque molécule d'ADN se faufile dans le canal, un détecteur optique identifie les marqueurs fluorescents qui passent. Nous traitons l'ADN comme s'il s'agissait d'un support d'enregistrement, déclare Turner, qui est maintenant président de Nanofluidics, une startup essayant de commercialiser la technologie Cornell. Et tout comme un magnétophone, nous jouons l'ADN. Alors que les chercheurs de Cornell utilisent actuellement un microscope optique externe pour lire la bande, ils espèrent construire un lecteur optique directement sur la puce à l'aide de fibres optiques. Turner s'attend à avoir un appareil fonctionnel dans les prochaines années.

Étant donné que les outils permettant de fabriquer ces minuscules canaux reposent sur le même équipement standard que celui utilisé pour fabriquer des puces de silicium pour la microélectronique, Turner envisage de fabriquer des puces nanofluidiques avec des milliers, voire des millions de canaux et de fibres optiques. Avec de tels dispositifs, explique Turner, les médecins pourraient un jour prélever une goutte de sang d'un patient, la déposer sur la puce électronique et analyser rapidement l'ADN de l'échantillon à la recherche de marqueurs génétiques de la maladie. L'appareil pourrait également aider les médecins à choisir les bons médicaments pour le patient.

Pipeline d'ADN

Pour identifier une séquence particulière sur un brin d'ADN, les chercheurs mélangent d'abord l'ADN avec des sondes fluorescentes qui se fixent à cette séquence. Ensuite, sur une micropuce (ci-dessus), un champ électrique attire l'ADN à travers un canal de 50 nanomètres de large. Un lecteur optique intégré détecte toutes les sondes attachées, identifiant la séquence.

Contrôle de l'ADN

Dans le mariage de la nanoélectronique et de la biologie, la vision la plus extrême consiste à apposer des gadgets électroniques directement sur les molécules. Pour montrer comment cela pourrait fonctionner et pourquoi cela pourrait être utile, une équipe du Media Lab du MIT, dirigée par le physicien Joseph Jacobson et l'ingénieur biomédical Shuguang Zhang, a apposé des particules d'or, chacune de seulement 1,4 nanomètre de diamètre, sur un morceau d'ADN. Chaque particule d'or servait de minuscule antenne. Les chercheurs ont ensuite exposé l'ADN à des champs magnétiques de radiofréquence, provoquant le réchauffement des particules et la rupture de l'ADN double brin en deux brins. Lorsqu'ils ont supprimé le champ magnétique, les brins se sont immédiatement reconstitués. Maintenant, nous avons un outil très puissant et utile qui peut contrôler les choses au niveau moléculaire, dit Zhang. Jusqu'à présent, il n'y a pas d'outils qui peuvent le faire. Pouvoir contrôler une molécule individuelle dans une foule de molécules est très précieux.

Cette valeur, ajoute la postdoctorante Kimberly Hamad-Schifferli, découle en grande partie de la capacité potentielle d'activer et de désactiver les gènes. Pour ce faire, les chercheurs du MIT pourraient attacher des fragments d'ADN à des particules d'or. Lorsqu'ils sont ajoutés à un échantillon d'ADN, les fragments se lieraient à des séquences de gènes complémentaires, bloquant l'activité de ces gènes et les désactivant efficacement. L'application d'un champ magnétique chaufferait alors les particules d'or, provoquant le détachement de leurs fragments d'ADN attachés, rallumant ainsi les gènes. Un tel outil pourrait donner aux chercheurs pharmaceutiques un moyen de simuler les effets de médicaments potentiels, qui activent et désactivent également les gènes. Le MIT a récemment concédé la technologie à une start-up biotechnologique, engeneOS, basée à Waltham, MA.

Bien que le contrôle à distance de l'ADN puisse ressembler davantage à une astuce de salon qu'à quelque chose que votre médecin pourrait utiliser, de telles expériences démontrent que la nanoélectronique peut interagir avec la biologie de manière puissante. Des matériaux comme les nanofils et les nanotubes, qui ont fait l'objet de recherches approfondies par des physiciens et des chimistes ces dernières années, sont désormais entre les mains d'ingénieurs biomédicaux comme Zhang du MIT, avec d'énormes implications pour tout, de la découverte de médicaments au diagnostic de maladies comme le cancer de la prostate. Bien qu'il soit difficile de prédire les gagnants parmi ces nombreuses technologies, Alivisatos de Berkeley, pour sa part, dit que je pense que ces choses vont toutes trouver des niches compétitives.

La microélectronique rapide et bon marché a révolutionné le monde de l'informatique et des technologies de l'information. Que la nanoélectronique puisse révolutionner la médecine reste incertain. Mais le fossé entre l'électronique et la biologie se réduit rapidement, et les chercheurs biomédicaux et même les médecins disposeront bientôt d'outils pour sonder les molécules de base de la vie d'une manière qui semblait être un fantasme il y a quelques années à peine.

Détecter le succès
Quelques entreprises en nanobiotech

Société	Source de technologie	Stratégie
Technologies Agilent (Palo Alto, Californie)	Université de Harvard	Matériaux avec des pores de taille nanométrique pour l'analyse de l'ADN
engeneOS (Waltham, MA)	AVEC	Nanoparticules d'or pour le contrôle à distance de molécules biologiques
Nanosystèmes moléculaires (Palo Alto, Californie)	Université de Stanford	Nanotubes de carbone pour la détection de molécules biologiques
Nanofluidique (Ithaque, NY)	L'Université de Cornell	Puces avec des canaux nanométriques pour l'analyse de l'ADN
NanoEncre (Chicago, Illinois)	Université du nord-ouest	Nanolithographie au stylo plongeant pour la conception de molécules et de structures biologiques
Nanosphère (Northbrook, Illinois)	Université du nord-ouest	Détecteurs de nanoparticules d'électrode/d'or pour détecter l'ADN et les agents pathogènes
Nanosys (Palo Alto, Californie)	Université de Harvard	Des nanofils pour la détection de molécules biologiques
SurroMed (Mountain View, Californie)	Université d'État de Pennsylvanie	Nanobarcodes pour le marquage de molécules biologiques
Génomique américaine (Woburn, MA)	Génomique américaine	Réseau nanocristallin pour l'analyse de l'ADN

cacher