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Que la lumière soit – et qu’il y en ait plein – pour une détection facile des biomolécules

L’éclat des sondes fluorescentes qui s’allument en présence de molécules cibles est semblable à celui des phares dans la nuit. Des recherches financées par l’UE ont permis de rendre les sondes de nanoparticules si lumineuses qu’elles pourraient être détectées par un smartphone.

Recherche fondamentale
Santé

Augmenter la luminosité des sondes fluorescentes hautement sélectives améliore leur sensibilité pour détecter des molécules spécifiques. Cela s’avère essentiel pour de nombreuses applications, des diagnostics médicaux à la surveillance de l’environnement. Le projet BrightSens, financé par l’UE, a permis d’obtenir une luminosité sans précédent pour des sondes fluorescentes, en utilisant des nanoparticules fluorescentes sur mesure. En principe, cela ouvre la voie à des diagnostics extrêmement précis établis sur le lieu d’intervention, avec des systèmes de caméras bon marché disponibles dans le commerce, voire des smartphones.

L’union fait la force (du signal)

L’équipe de BrightSens, dirigée par le chercheur principal Andrey Klymchenko, a réussi à enfermer des milliers de molécules de colorants fluorescents à l’intérieure d’une seule nanoparticule agissant comme une «nanoantenne». Ils ont modifié la surface des nanoparticules avec des acides nucléiques (ou des protéines) pour les aider à reconnaître les biomolécules qui les intéressaient. Ces derniers étaient liés à des «interrupteurs» moléculaires spécifiques (accepteurs d’énergie) à la surface des nanoparticules, déclenchant une émission lumineuse chez 100 à 1 000 colorants encapsulés en réponse à un événement de reconnaissance relatif à une biomolécule donnée. Andrey Klymchenko, qui a reçu une subvention du Conseil européen de la recherche (CER) pour ce projet, explique: «La caractéristique unique de nos nanoparticules réside dans le fait leurs milliers de colorants encapsulés sont capables de communiquer avec une seule molécule acceptrice d’énergie. Les colorants se comportent comme un orchestre, le “chef d’orchestre” (l’accepteur d’énergie) les contrôlant tous simultanément. Par conséquent, le signal d’un seul accepteur est amplifié à peu près d’un facteur 1 000.» Cette amplification a permis la première détection de molécules fluorescentes simples dans des conditions d’excitation équivalentes à la lumière solaire ambiante. Sur cette base, l’équipe a développé le prototype d’une nanosonde pour la détection d’ADN amplifié dont la sensibilité atteint le niveau des molécules individuelles d’ADN/ARN. L’équipe a déposé deux brevets pour ces découvertes, sur un total de cinq brevets portant sur l’ensemble des résultats obtenus à ce jour par le projet BrightSens. L’utilisation de d’«espaceurs» ioniques innovants empêchant les molécules de colorant plates des nanoparticules de s’empiler comme des crêpes et de créer des agrégats non fluorescents a constitué un élément clé de cette amplification inédite de l’émission lumineuse. Une conception spéciale du polymère a permis de réduire la taille des nanoparticules de 40 nm à 9 nm, facilitant ainsi leur libre diffusion dans la cellule. «Ces nanoparticules comptent parmi les nano-objets les plus brillants produits à ce jour, puisqu’ils sont environ 100 fois plus brillants que les points quantiques, les minuscules semi-conducteurs qui ont fait office de référence absolue en matière de nanoparticules brillantes depuis de nombreuses années», déclare Andrey Klymchenko. L’approche a été étendue à d’autres colorants, ce qui a donné des nanoparticules de différentes couleurs. Selon Andrey Klymchenko, «mélanger des nanoparticules de trois couleurs comme dans une imprimante couleur nous a permis d’appliquer un “code-barre” sur des cellules vivantes en utilisant jusqu’à 13 couleurs différentes et de les suivre pendant plus de deux semaines». Ces nanoparticules servant de code-barres ont déjà été commercialisées par la société française de biotechnologie Lymphobank.

Vers un diagnostic médical sur le lieu d’intervention, avec un smartphone

La technologie révolutionnaire BrightSens ouvre la voie à la détection de biomolécules cibles à l’aide d’appareils très simples. L’équipe envisage la possibilité de concéder des licences sur leurs brevets à plusieurs sociétés de biotechnologie et de créer une start-up pour commercialiser les nanosondes développées. Andrey Klymchenko résume: «Contrairement aux protocoles existants, notre technologie permettra des diagnostics rapides, simples et peu coûteux. Par ailleurs, les sondes accéléreront la recherche cellulaire sur le cancer et d’autres maladies faisant intervenir la détection et l’imagerie de l’ARNm et du micro-ARN.»

Mots‑clés

BrightSens, nanoparticule, fluorescent, molécule, diagnostic, détection, colorant, sonde, émission, lumière solaire ambiante, amplification, colorant encapsulé, sonde fluorescente, point d’intervention, nanoantenne, biomolécule, polymère

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