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Le graphène pourrait améliorer le séquençage de l'ADN
Des couches de graphène aussi épaisses qu'un atome pourraient aider à rendre le séquençage de l'ADN humain plus rapide et moins cher. Des chercheurs de l'Université de Harvard et du MIT ont montré que les feuilles de graphène pourraient constituer une grande amélioration par rapport aux membranes actuellement utilisées pour le séquençage des nanopores, une technique qui promet d'accélérer et de simplifier le séquençage de longs brins d'ADN.
Les techniques de séquençage d'aujourd'hui consistent à découper l'ADN, à faire de nombreuses copies des morceaux et à lire les molécules fluorescentes qui y sont attachées. Cette approche prend des jours et coûte des dizaines de milliers de dollars. En revanche, le séquençage des nanopores pourrait, en théorie, analyser un génome humain entier en quelques heures.
Le séquençage des nanopores consiste à tirer un brin d'ADN à travers un petit trou dans une membrane qui est suspendue dans une solution saline avec une tension appliquée à travers elle. Les ions se déplaçant d'un côté à l'autre de la membrane créent un courant électrique. Au fur et à mesure que chacune des quatre bases d'ADN différentes traverse le pore, l'intensité du courant diminue dans une mesure différente, ce qui permet de séquencer rapidement les bases.
Les nanopores actuellement utilisés pour le séquençage de l'ADN sont généralement constitués de protéines bactériennes ou sont gravés dans des membranes en nitrure de silicium. De telles membranes ont une épaisseur de 20 à 30 nanomètres. Mais comme la distance entre deux bases d'ADN est de 0,5 nanomètre, 40 à 60 bases pourraient être coincées dans le pore à la fois.
Une membrane plus mince, telle que le graphène, pourrait permettre une identification de base plus précise. Une seule couche de graphène n'a qu'un nanomètre d'épaisseur. C'est la membrane la plus mince qui ait jamais été appliquée à ce problème, dit Jene Golovchenko , un professeur de physique à Harvard qui a dirigé le nouveau travail, publié dans La nature cette semaine.
Les chercheurs créent leur membrane en plaçant un flocon de graphène sur une ouverture de 200 nanomètres de large au milieu d'une surface de nitrure de silicium. Ensuite, ils forent quelques pores de quelques nanomètres de large dans le graphène avec un faisceau d'électrons. La membrane est finalement immergée dans une solution saline qui est en contact avec des électrodes d'argent. Les chercheurs ont observé des creux dans le courant lorsqu'un brin d'ADN passait à travers le pore, montrant que la méthode pourrait éventuellement être utilisée pour identifier des bases d'ADN.
Deux autres groupes de recherche ont récemment démontré des exploits similaires : un au Kavli Institute of Nanoscience et au autre à l'Université de Pennsylvanie. Ces avancées ont toutes deux été publiées dans la revue Lettres nano en juillet.
L'identification des bases d'ADN individuelles lorsqu'elles traversent le pore demandera cependant beaucoup plus de travail. Chacune des quatre bases d'ADN différentes devrait bloquer le courant traversant le pore d'une quantité différente. Tout appareil devrait être capable de distinguer ces quantités variables. Mais faire cela signifie contrôler avec précision la vitesse à laquelle l'ADN vole à travers le pore. Un tel contrôle est le plus grand obstacle à la mise en pratique du séquençage des nanopores.
Dans le La nature papier, chaque molécule d'ADN, contenant des milliers de bases, traverse le pore en quelques centaines de microsecondes (environ quatre nanosecondes par base). Lire une seule base, une à la fois, signifierait que le brin devrait être dans le pore plus de 1 000 fois plus longtemps, dit John Kasianowicz , un biophysicien du National Institute of Standards and Technology qui a inventé le séquençage des nanopores. Kasianowicz fonctionne avec des membranes naturelles et des pores fabriqués à partir de protéines bactériennes. Ceux-ci peuvent contenir des molécules pendant des dizaines de millisecondes, mais sont moins stables que le nitrure de silicium et le graphène.
Ils ont fait passer la technologie des nanopores à un niveau supérieur, dit-il à propos des récents efforts sur le graphène. Fabriquer des nanopores à l'état solide était une excellente idée, et les soigner avec du graphène est une première étape importante. Mais il ajoute : pour pouvoir séquencer, il faut pouvoir contrôler le flux d'ADN qui le traverse et le ralentir.