Des chercheurs de l’EPFL dirigés par Aleksandra Radenovic ont fait progresser la technologie des nanopores en l’intégrant à la microscopie à conductance ionique à balayage. La technique résultante, la spectroscopie de conductance ionique à balayage, offre une précision sans précédent dans le contrôle de la vitesse de transit moléculaire, ce qui permet une augmentation significative du rapport signal-bruit. Cette méthode polyvalente pourrait avoir un impact considérable sur l’analyse de l’ADN, la protéomique et la recherche clinique. Crédit : Samuel Leitão / EPFL
Des chercheurs de l’EPFL sont parvenus à un contrôle quasi parfait de la manipulation de molécules individuelles, ce qui permet de les identifier et de les caractériser avec une précision sans précédent.
Aleksandra Radenovic, directrice du Laboratoire de biologie à l’échelle nanométrique de la Faculté d’ingénierie, travaille depuis des années à l’amélioration de la technologie des nanopores, qui consiste à faire passer une molécule comme l’ADN à travers un minuscule pore dans une membrane pour mesurer un courant ionique. Les scientifiques peuvent déterminer la séquence des nucléotides de l’ADN – qui codent l’information génétique – en analysant comment chacun d’entre eux perturbe ce courant lors de son passage. Cette recherche a été publiée le 19 juin dans la revue Nature Nanotechnology.
Actuellement, le passage des molécules dans un nanopore et le moment de leur analyse sont influencés par des forces physiques aléatoires, et le mouvement rapide des molécules rend difficile l’obtention d’une grande précision analytique. M. Radenovic a déjà abordé ces questions à l’aide de pinces optiques et de liquides visqueux. Aujourd’hui, une collaboration avec Georg Fantner et son équipe du Laboratoire de bio- et nano-instrumentation de l’EPFL a permis de réaliser l’avancée qu’elle recherchait, avec des résultats qui pourraient aller bien au-delà de l’ADN.
En combinant pour la première fois la technologie des nanopores et la microscopie à conductance ionique à balayage, des chercheurs de l’EPFL ont obtenu un contrôle quasi parfait de la manipulation de molécules individuelles, ce qui permet de les identifier et de les caractériser avec une précision sans précédent. Crédit : Samuel Leitão / EPFL
« Nous avons combiné la sensibilité des nanopores avec la précision de la microscopie à conductance ionique à balayage (SICM), ce qui nous permet de verrouiller des molécules et des emplacements spécifiques et de contrôler la vitesse à laquelle elles se déplacent. Ce contrôle exquis pourrait contribuer à combler une lacune importante dans ce domaine », explique M. Radenovic. Les chercheurs sont parvenus à ce contrôle en utilisant un microscope à conductance ionique à balayage de pointe, récemment mis au point au laboratoire de bio- et nano-instrumentation.
Améliorer la précision de détection de deux ordres de grandeur
C’est Samuel Leitão, étudiant en doctorat, qui est à l’origine de cette collaboration fortuite entre les deux laboratoires. Ses recherches portent sur la SICM, dans laquelle les variations du courant ionique circulant dans une pointe de sonde sont utilisées pour produire des données d’image 3D à haute résolution. Pour son doctorat, Samuel Leitão a développé et appliqué la technologie SICM à l’imagerie des structures cellulaires à l’échelle nanométrique, en utilisant un nanopore de verre comme sonde. Dans ce nouveau travail, l’équipe a appliqué la précision d’une sonde SICM pour déplacer des molécules à travers un nanopore, plutôt que de les laisser se diffuser au hasard.
Baptisée spectroscopie de conductance ionique à balayage (SICS), cette innovation ralentit le transit des molécules à travers le nanopore, ce qui permet d’effectuer des milliers de lectures consécutives de la même molécule, et même de différents endroits de la molécule. La possibilité de contrôler la vitesse de transit et de faire la moyenne de plusieurs lectures de la même molécule a permis d’augmenter le rapport signal/bruit de deux ordres de grandeur par rapport aux méthodes conventionnelles.
En combinant pour la première fois la technologie des nanopores et la microscopie à conductance ionique à balayage, les chercheurs de l’EPFL sont parvenus à un contrôle quasi parfait de la manipulation des molécules individuelles, ce qui permet de les identifier et de les caractériser avec une précision sans précédent. Crédit : Samuel Leitão / EPFL
« Ce qui est particulièrement intéressant, c’est que cette capacité de détection accrue avec SICS peut être transférée à d’autres méthodes de nanopores à l’état solide et biologiques, ce qui pourrait améliorer de manière significative les applications de diagnostic et de séquençage », explique Samuel Leitão.
Fantner résume la logique de l’approche par une analogie automobile : « Imaginez que vous regardiez les voitures aller et venir alors que vous vous tenez devant une fenêtre. Il est beaucoup plus facile de lire les numéros des plaques d’immatriculation si les voitures ralentissent et passent à plusieurs reprises », explique-t-il. « Nous pouvons également décider si nous voulons mesurer 1 000 molécules différentes à chaque fois ou la même molécule 1 000 fois, ce qui représente un véritable changement de paradigme dans ce domaine.
Cette précision et cette polyvalence signifient que l’approche pourrait être appliquée à des molécules autres que l’ADN, telles que les blocs de construction des protéines appelés peptides, ce qui pourrait contribuer à faire progresser la protéomique ainsi que la recherche biomédicale et clinique.
« Trouver une solution pour le séquençage des peptides a été un défi de taille en raison de la complexité de leurs « plaques d’immatriculation », qui sont composées de 20 caractères (acides aminés), contrairement aux quatre nucléotides de l’ADN », explique M. Radenovic. « Pour moi, l’espoir le plus excitant est que ce nouveau contrôle puisse ouvrir une voie plus facile vers le séquençage des peptides. »
Référence : « Spatially multiplexed single-molecule translocations through a nanopore at controlled speeds » par S. M. Leitao, V. Navikas, H. Miljkovic, B. Drake, S. Marion, G. Pistoletti Blanchet, K. Chen, S. F. Mayer, U. F. Keyser, A. Kuhn, G. E. Fantner et A. Radenovic, 19 juin 2023, Nature Nanotechnology.
DOI: 10.1038/s41565-023-01412-4