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Vers le biocapteur "ultime"

Michel Le Toullec

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- Détecter à l'unité des micro-organismes ou des molécules sera bientôt possible. De nombreux travaux de laboratoire exploitant les nanotechnologies en témoignent.

Quelle est la limite ultime pour un biocapteur ? Détecter spécifiquement des entités (micro-organismes, molécules...) à l'unité. Grâce aux nanotechnologies, cet horizon indépassable n'a plus rien de chimérique. Un peu partout, des laboratoires, en exploitant différentes technologies - l'utilisation de nano-objets (nanotubes par exemple), la biofonctionnalisation ou encore l'empreinte moléculaire - font la preuve de la faisabilité de tels dispositifs. Ils offrent un double intérêt. En médecine, leur extrême sensibilité permet de détecter la présence de molécules à un stade extrêmement précoce. Surtout, ils permettent de réaliser, sur un même substrat, la détection et des analyses à haut débit.

Ainsi, des scientifiques de Harvard ont récemment publié dans Nature à propos d'un étonnant biocapteur capable de déceler des virus à l'unité. L'affaire est d'autant plus sérieuse qu'elle est en partie financée par l'armée américaine. Cette dernière y voit un moyen de détection et d'identification ultrarapide d'armes biologiques...

Développer des nano-objets

Ce capteur est l'un des exemples de l'utilisation de nano-objets. Il exploite les propriétés semi-conductrices de nanofils de silicium. « Nous avons fonctionnalisé ces nanofils avec des anticorps dirigés contre des virus », explique Charles M. Lieber, responsable de ces travaux. Un tel système configuré en réseau serait capable de détecter spécifiquement des milliers de virus ou de bactéries pathogènes différents : virus de la grippe A, paramyxovirus, agents biologiques...

D'autres nano-objets sont en phase de développement pour de futurs biocapteurs. Ainsi, des chercheurs du CNRS et du CEA ont réussi à fonctionnaliser des nanotubes de carbone avec des protéines. Cyrille Richard et ses collègues commencent par revêtir la surface externe des nanotubes de carbone avec des molécules lipidiques sur lesquelles ils fixent des protéines (anticorps, enzymes...). Cet ensemble pourrait à ce moment-là être greffé à la pointe d'une électrode.

Dans le même esprit, on peut aussi noter les travaux de l'équipe de Zhong L. Wang au Georgia Institute of Technology (Atlanta, États-Unis). Ces scientifiques exploitent les propriétés électriques particulières de nanoressorts en oxyde de zinc. Il s'agit, dans ce cas, de mettre à profit la polarisation électrostatique du nanomatériau pour détecter spécifiquement des entités (molécules, cellules...) en fonction de leur charge électrique.

Autre type de nano-objets mis à contribution : les nanoparticules fluorescentes. Elles peuvent être utilisées pour marquer spécifiquement la molécule que l'on souhaite détecter. C'est la voie empruntée par Philip Costanzo de l'université du Connecticut (Hartford, États-Unis). Des nanoparticules de sulfure de cadmium et de silice sont recouvertes d'un biopolymère sur lequel peuvent être greffées des protéines spécifiques de telle ou telle molécule. La présence des entités marquées par ces nanoparticules est alors révélée par microscopie optique. Ces travaux visent la détection de pathogènes en agroalimentaire et dans l'environnement.

Modifier à l'échelle nanométrique

Une autre approche consiste non plus à utiliser des nano-objets mais à modifier, à l'échelle nanométrique, la surface d'un substrat relativement classique pour lui conférer des propriétés de biocapteur très spécifique. La plus récente innovation dans ce domaine provient de l'Université technique de Munich, où ont été conçus des films de diamant nanocristallin modifiés avec des protéines. Les résultats publiés en septembre dans Nature ont montré que ces nanofilms pouvaient jouer à la fois le rôle d'électrode et de support pour la fixation de protéines spécifiques de l'entité à déceler. « En plus, le film en diamant nanocristallin est à la fois biocompatible et relativement simple à déposer sur différents substrats », explique José Garrido, responsable de ces recherches. La première application visée est un biocapteur ampérométrique à base d'enzyme.

Au sein du groupe Nanobiotechnologies du LAAS (Laboratoire d'analyse et d'architecture des systèmes - CNRS de Toulouse), un travail vient de débuter sur la réalisation d'un biocapteur avec actionnement piézo-électrique intégré. Ici, le dispositif sera constitué d'une membrane en silicium sur laquelle sera déposé un nanofilm piézo-électrique. La membrane sera mise en vibration à sa résonance mécanique. Principe de détection de ce biocapteur : au contact d'espèces biologiques, la résonance varie de manière spécifique, d'où l'identification.

Au pôle lyonnais de nano-optotechnologies (Nanoptec), une équipe du laboratoire de génie enzymatique de l'université Claude-Bernard vise à modifier en surface des électrodes pour obtenir des biocapteurs électro-optiques. La spécificité de ces électrodes est, dans ce cas, liée à la nature des enzymes qui y sont immobilisées.

Opter pour l'impression moléculaire

Enfin, troisième approche, les nanotechnologies permettent aujourd'hui de fabriquer l'empreinte 3D de virtuellement toute molécule. Il devient ainsi possible de les détecter spécifiquement. C'est la méthode d'impression moléculaire, développée au départ à l'université de Lund (Suède). L'équipe de Klaus Mosbach propose ainsi un concept original de capteur : au lieu de présenter un anticorps spécifique d'un antigène, il présente l'empreinte de ce dernier réalisée dans une matrice polymère. Le consortium européen Cream, coordonné par l'université de Lund, a conçu sur ce principe un prototype d'équipement portable dédié à la détection d'antibiotiques dans le lait.

Sur le même principe, mais dans un tout autre registre, des chercheurs de l'université de Buffalo (New York, États-Unis) ont annoncé pouvoir réaliser l'empreinte de nombreuses armes biologiques dans une matrice en gel.

LES APPLICATIONS

- Diagnostic médical à un stade très précoce de la maladie - Détection de pathogènes en agroalimentaire, dans l'environnement... - Identification d'armes biologiques - Recherche sur les maladies virales

GRÂCE À DES NANOFILS EN SILICIUM

Charles M. Lieber et ses collègues de l'Université Harvard proposent un biocapteur capable de déceler électriquement un virus lorsqu'il parvient au contact d'un matériau semi-conducteur : ici, des nanofils de silicium configurés en transistors à effet de champ. Ces nanofils sont fonctionnalisés par des anticorps dirigés contre les virus à déceler. En cas de contact virus/récepteur, c'est la variation de conductance du système qui permet cette détection en temps réel. Ces travaux sont réalisés en partenariat avec l'armée américaine.

GRÂCE À DES COUCHES DE DIAMANT NANOCRISTALLIN

Les chercheurs allemands de l'Université technique de Munich ont réussi à modifier des couches minces de diamant nanocristallin avec des protéines (en particulier des enzymes). Le film de diamant est d'abord hydrogéné en surface, puis exposé à un procédé photochimique pour présenter des groupements amines sur lesquels sont fixées les protéines par liaison covalente. Le diamant nanocristallin joue à la fois le rôle de substrat pour la biofonctionnalisation et d'électrode. L'application visée est un biocapteur ampérométrique enzymatique.

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