Le nano-commutateur, pont entre biologie et nanotechnologie
"Franchement, certains chercheurs ne pensaient pas que nous réussirions", déclare M. Keith Firman, coordinateur du projet Mol-Switch relevant du Sixième programme-cadre (6e PC) et mené à bien. "Pourtant, nous avons réussi à faire fonctionner notre commutateur moléculaire", a-t-il expliqué à IST Results. Le projet n'a pas seulement abouti, il a été un véritable succès malgré la surveillance active et le scepticisme des experts des domaines associés, dont la biotechnologie et la biophysique. Le projet en lui-même est plutôt difficile à conceptualiser: un "nano-actionneur'" si petit qu'il pourrait être utilisé pour manipuler des fragments d'ADN spécifiques et permettre un séquençage d'ADN individuel. L'objectif du projet était de fabriquer un "nano-commutateur" moléculaire individuel. Six partenaires, l'université de Portsmouth (Royaume-Uni); le laboratoire national de physique (Royaume-Uni); l'ENS/CNRS (France); TUDelft (Pays-Bas); l'université de Parme (Italie) et l'Institut de microbiologie à Prague (République tchèque), ont collaboré durant trois ans à la conception et au développement de ce nano-instrument. Il avait été convenu dès le départ que le projet, pour être qualifié de réussite, devait permettre de démontrer l'activité, l'efficacité et la stabilité du commutateur, son efficacité pour le séquençage d'ADN et son potentiel commercial. Le volet expérimental du projet se décomposait en deux phases - premièrement, utiliser un moteur biologique pour produire un "nano-actionneur" (ou simplement un instrument) capable d'attirer une perle magnétique vers une surface. Le mouvement de la perle générerait un courant électrique faible, mais détectable. Deuxièmement, le moteur biologique devait amener l'ADN marqué par fluorescence vers une version marquée par fluorescence du moteur. Ce qui résultera en un "transfert d'énergie par résonance en fluorescence" (FRET), capable de donner des mesures précises du séquençage d'ADN et, donc, de la pertinence du commutateur. Le but du projet Génome humain était de décoder le séquençage d'ADN dans le corps humain, où l'ADN dispose de quatre "bases", toutes des protéines, identifiées par les lettres A, C, G et T. Les différentes séquences d'un gène ne sont que de simples listes de A, C, G et T combinées différemment. Les chercheurs ont utilisé un type de moteur moléculaire connu comme étant un "enzyme de restriction-modification". Ce moteur moléculaire se fixe exclusivement à des séquences spécifiques de A, C, G et T. "Ce lien est très spécifique, un moteur ne se fixe qu'aux bases qui lui correspondent, de sorte que vous pouvez contrôler exactement où le moteur est placé sur le brin vertical d'ADN", a déclaré M.Firman. Le brin d'ADN est maintenu verticalement par un champ magnétique qui attire un marqueur magnétique au bout du brin d'ADN. Le moteur moléculaire se trouve quelque part sous le marqueur magnétique, à un endroit spécifique dont il ne bouge pas. Lorsque le moteur moléculaire est actionné par l'apport de protéine ATP, il attire le brin d'ADN jusqu'au marqueur magnétique. Quelle est l'importance, quel est l'intérêt de tout cela? Très simplement, ce nano-commutateur permet de transformer une forme d'énergie en une autre à des fins utiles, et de façon contrôlable. "L'interrupteur d'éclairage, le bouton qui fait fonctionner la pointe rétractable d'un stylo-bille sont tous des actionneurs. En développant un commutateur moléculaire, nous avons créé un minuscule actionneur qui pourrait être utilisé dans un très grand nombre d'applications", a expliqué M. Firman. Le résultat est une composante nanotechnologique de base, et les applications utiles du commutateur se multiplieront au gré de l'imagination des chercheurs. "Il pourrait servir de lien entre biologie et silicone. Ou comme interface entre muscles et éléments externes, via son utilisation de la molécule ATP, dans les implants humains. Une telle application ne sera possible que dans 20 ou 30 ans", a déclaré M. Firman. "Tout cela est passionnant et nous venons de déposer une demande de brevet pour les concepts de base." Un produit connexe inattendu de cette recherche réside dans le séquençage d'ADN. Si le brin d'ADN est marqué par fluorescence, alors "en connaissant la vitesse du moteur, qui est très fiable et stable à toute température spécifique, nous pourrions localiser la position de la molécule fluor basée ADN relative au site de fixation du moteur ", a expliqué M. Firman. "Beaucoup reste à faire. Toutefois, le concept est bon et nous avons aujourd'hui suffisamment de preuves pour indiquer qu'il pourrait être utilisé pour séquencer des polymorphismes nucléotidiques simples (PNS) à l'origine de troubles génétiques." La prochaine étape sera celle de la commercialisation de cette idée. "Nous avons posé notre candidature à un nouveau projet au titre du programme NEST (nouvelles sciences et technologies émergentes) de l'Union européenne. Si nous sommes sélectionnés, nous pourrons alors développer un produit commercial pour les capteurs biologiques", a déclaré M. Firman.
Pays
Tchéquie, France, Italie, Pays-Bas, Royaume-Uni