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Les biopuces à transistors
Dans la quête des systèmes de détection d’interactions moléculaires dits « label-free », sans marqueurs fluorescents ou radioactifs synonymes de coûts élevés, une nouvelle a fait grand bruit en 2004. Une équipe du laboratoire de Physique de la matière condensée de l’Ecole normale supérieure (ENS, Paris), dirigée par Ulrich Bockelmann, avait démontré la possibilité de détecter de l’ADN en l’immobilisant sur une surface formée par un réseau de transistors électroniques à effet de champ (FET, field effect transistors), les transistors les plus couramment utilisés (1). La présence de l’ADN, chargé négativement, induisait une modification du potentiel électrostatique de surface des transistors. Mieux, couplé à une amplification préalable des fragments d’ADN par PCR, le procédé avait montré sa capacité à détecter l’absence ou la présence d’une mutation génétique (2).
 La détection des hybridations
Ulrich Bockelmann a poursuivi ces travaux à l’Ecole supérieure de physique et chimie industrielles (ESPCI, laboratoire de nanobiophysique, Paris) en collaboration avec Cédric Gentil à l’ENS. Début 2007, les chercheurs ont démontré cette fois que des capteurs constitués de réseaux de 96 transistors FET, recouverts d’une couche de silicium de 10 nm d’épaisseur, peuvent parfaitement détecter l’hybridation entre des molécules d’ADN en solution et des sondes d’ADN immobilisées à la surface de ces capteurs. Cette interaction moléculaire modifie en effet là encore le potentiel électrostatique de surface, ce qui induit un signal électronique d’autant plus intense que les hybridations sont nombreuses. Leur travail a aussi montré que le signal électronique peut être augmenté si l’on procède en deux temps : la réaction d’hybridation est d’abord favorisée par l’utilisation d’une solution à forte concentration saline ; puis la détection de l’interaction se fait à faible concentration saline, après lavage, pour éviter que les ions de la solution fassent écran à la variation de potentiel (3).Pour l’instant, la sensibilité du procédé est inférieure de deux à trois fois à une détection par marqueurs fluorescents. « L’intérêt majeur de la détection électronique par FET est qu’elle peut être massivement parallèle, puisque l’électronique permet d’intégrer un grand nombre de transistors dans la surface de silicium », estime Ulrich Bockelmann.
Neurones de rat cultivés sur un réseau de transistors en silicium recouverts de poly-L-lysine, en microscopie électronique à balayage. Barre d'échelle : 10 µm© P. Fromherz, Max-Planck-Institute for Biochemistry/The Journal of Neuroscience
Les neuropuces indiquent la voie
La faisabilité de ce type de « multiplexage » électronique a été démontrée par l’équipe de Peter Fromherz, de l’Institut Max-Planck de biochimie de Martinsried en Allemagne, inventeur de « neuropuces » qui permettent de détecter le signal électrique émis par des neurones et qui sont développées conjointement avec Infineon Technologies AG (Munich), le leader mondial des composants semi-conducteurs pour cartes à puce (4). C’est d’ailleurs en collaboration avec l’équipe de Peter Fromherz et dans ses salles blanches que Ulrich Bockelmann a fabriqué les dispositifs semi-conducteurs actuellement utilisés à Paris pour la détection de l’ADN.
Dans le domaine de la détection électronique d’interactions moléculaires par transistors à effet de champ, la concurrence internationale n’est pas nulle : l’équipe de Charles Lieber à l’Université Harvard (département de chimie) développe ainsi des nanofils de silicium connectés à des transistors FET et sur lesquels sont fixés des récepteurs (anticorps, etc.) ; l’interaction de molécules avec ces récepteurs modifie la conductivité électrique du nanofil et peut donc être détectée et mesurée (5). Au Japon, des chercheurs du laboratoire central de recherche d’Hitachi ont également publié des résultats intéressants sur la détection par FET de l’hybridation d’ADN (6).
Point encore de valorisation industrielle pour les prototypes de l’ESPCI. « Le projet est compliqué par l’interdisciplinarité du domaine : entre la technologie de salle blanche, la biologie moléculaire nécessaire pour optimiser les protocoles, l’immobilisation et le choix des sondes, la biophysique qui permet de comprendre le changement de potentiel de surface en milieu aqueux, l’électronique des réseaux de transistors, il n’est pas simple de trouver un interlocuteur qui ’’fasse l’affaire’’ », confie Ulrich Bockelmann, qui ajoute « réfléchir aux différentes options possibles ». A suivre donc...
1. Dans un transistor à effet de champ, le passage de courant dans un « canal » semi-conducteur entre deux électrodes, la « source » et le « drain », est contrôlé par un champ électrique appliqué par une électrode (la « grille ») placée au-dessus du canal. Le champ électrique crée un potentiel électrostatique qui attire les électrons dans le canal ou les repousse hors du canal selon que le potentiel appliqué est positif ou négatif.
2. F. Pouthas et al. (2004) DNA detection on transistor arrays following mutation-specific enzymatic amplification, Appl. Phys. Lett. 84, 1594
www.nbp.espci.fr/publications/APL01594.pdf
3. C. Gentil et al. (2007) Signal enhancement in electronic detection of DNA hybridization, Phys. Rev. E 75, 011926
www.nbp.espci.fr/publications/pre2007.pdf
4. B. Eversmann et al. (2003) A 128 x 128 CMOS Biosensor Array for Extracellular Recording of Neural Activity, IEEE Journal of solid-state circuits 38, 2306-17.
5. F. Patolsky et al. (2006) Fabrication of silicon nanowire devices for ultrasensitive, label-free, real-time detection of biological and chemical species, Nat Protoc. 1(4):1711-24.
6. M. Kamahori et al. (2007) DNA detection by an extended-gate FET sensor with a high-frequency voltage superimposed onto a reference electrode. Anal Sci. 23(1):75-9.
www.jstage.jst.go.jp/article/analsci/23/1/75/_pdf
Pour en savoir plus
Laboratoire de nanobiophysique, ESPCI
www.nbp.espci.fr
 Ressources Internet
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