Un nouveau capteur imite les fonctions de la membrane cellulaire et pourrait permettre le dépistage de cancers difficiles à diagnostiquer

S’inspirant des systèmes sensoriels naturels, une équipe dirigée par le MIT a conçu un nouveau capteur capable de détecter les mêmes molécules que les récepteurs cellulaires naturels peuvent identifier.

Dans un travail qui combine plusieurs nouvelles technologies, les chercheurs ont créé un prototype de capteur capable de détecter une molécule immunitaire appelée CXCL12, jusqu’à des dizaines ou des centaines de parties par milliard. Il s’agit d’une première étape importante dans le développement d’un système qui pourrait être utilisé pour effectuer des dépistages de routine des cancers difficiles à diagnostiquer ou des tumeurs métastatiques, ou comme un « nez » électronique hautement biomimétique, selon les chercheurs.

« Notre espoir est de développer un appareil simple qui vous permette d’effectuer des tests à domicile, avec une spécificité et une sensibilité élevées. Plus tôt vous détectez le cancer, meilleur est le traitement.

L’appareil s’inspire de la membrane qui entoure toutes les cellules. Dans ces membranes se trouvent des milliers de protéines réceptrices qui détectent les molécules dans l’environnement. L’équipe du MIT a modifié certaines de ces protéines afin qu’elles puissent survivre à l’extérieur de la membrane et les a ancrées dans une couche de protéines cristallisées au sommet d’un réseau de transistors en graphène. Lorsque la molécule cible est détectée dans un échantillon, ces transistors relaient l’information vers un ordinateur ou un smartphone.

Ce type de capteur pourrait potentiellement être adapté pour analyser n’importe quel fluide corporel, tel que le sang, les larmes ou la salive, selon les chercheurs, et pourrait dépister simultanément de nombreuses cibles différentes, selon le type de protéines réceptrices utilisées.

« Nous identifions les récepteurs critiques des systèmes biologiques et les ancrons sur une interface bioélectronique, ce qui nous permet de récolter tous ces signaux biologiques, puis de les transformer en sorties électriques qui peuvent être analysées et interprétées par des algorithmes d’apprentissage automatique », explique Rui Qing, un ancien chercheur du MIT qui est maintenant professeur associé à l’Université Jiao Tong de Shanghai.

Qing et Mantian Xue Ph.D., sont les principaux auteurs de l’étude, qui apparaît dans Avancées scientifiques. Avec Zhang, Tomás Palacios, directeur du laboratoire de microsystèmes du MIT et professeur de génie électrique et d’informatique, et Uwe Sleytr, professeur émérite à l’Institut de bioarchitectures synthétiques de l’Université des ressources naturelles et des sciences de la vie de Vienne, sont les principaux auteurs de l’article.

Sans membranes

La plupart des capteurs de diagnostic actuels sont basés sur des anticorps ou des aptamères (courts brins d’ADN ou d’ARN) qui peuvent capturer une molécule cible particulière à partir d’un fluide tel que le sang. Cependant, ces deux approches ont des limites : les aptamères peuvent être facilement décomposés par les fluides corporels, et la fabrication d’anticorps de sorte que chaque lot soit identique peut être difficile.

Une approche alternative que les scientifiques ont explorée consiste à construire des capteurs basés sur les protéines réceptrices présentes dans les membranes cellulaires, que les cellules utilisent pour surveiller et réagir à leur environnement. Le génome humain code pour des milliers de ces récepteurs. Cependant, ces protéines réceptrices sont difficiles à travailler car une fois retirées de la membrane cellulaire, elles ne conservent leur structure que si elles sont mises en suspension dans un détergent.

En 2018, Zhang, Qing et d’autres ont rapporté une nouvelle façon de transformer des protéines hydrophobes en protéines hydrosolubles, en remplaçant quelques acides aminés hydrophobes par des acides aminés hydrophiles. Cette approche est appelée le code QTY, d’après les lettres représentant les trois acides aminés hydrophiles – la glutamine, la thréonine et la tyrosine – qui remplacent les acides aminés hydrophobes leucine, isoleucine, valine et phénylalanine.

« Les gens ont essayé d’utiliser des récepteurs pour la détection pendant des décennies, mais il est difficile de les utiliser à grande échelle car les récepteurs ont besoin d’un détergent pour les maintenir stables. La nouveauté de notre approche est que nous pouvons les rendre solubles dans l’eau et les produire en grandes quantités, à peu de frais », explique Zhang.

Zhang et Sleytr, qui sont des collaborateurs de longue date, ont décidé de s’associer pour essayer de fixer des versions solubles dans l’eau des protéines réceptrices à une surface, en utilisant des protéines bactériennes que Sleytr étudie depuis de nombreuses années. Ces protéines, appelées Protéines de la couche Sse trouvent comme la couche superficielle la plus externe de l’enveloppe cellulaire dans de nombreux types de bactéries et d’archées.

Lorsque les protéines de la couche S sont cristallisées, elles forment des réseaux monomoléculaires cohérents sur une surface. Sleytr avait précédemment montré que ces protéines pouvaient être fusionnées avec d’autres protéines telles que des anticorps ou des enzymes.

Pour cette étude, les chercheurs, dont le scientifique principal Andreas Breitwieser, qui est également co-auteur de l’article, ont utilisé des protéines de la couche S pour créer une feuille immobilisée très dense d’une version soluble dans l’eau d’une protéine réceptrice appelée CXCR4. Ce récepteur se lie à une molécule cible appelée CXCL12, qui joue un rôle important dans plusieurs maladies humaines, dont le cancer, et à une glycoprotéine d’enveloppe du VIH, responsable de l’entrée du virus dans les cellules humaines.

« Nous utilisons ces systèmes de couche S pour permettre à toutes ces molécules fonctionnelles de se fixer à une surface dans un réseau monomoléculaire, dans une distribution et une orientation très bien définies », explique Sleytr. « C’est comme un échiquier où vous pouvez disposer différentes pièces de manière très précise. »

Les chercheurs ont nommé leur technologie de détection RESENSA (Receptor S-layer Electrical Nano Sensing Array).

Sensibilité avec le biomimétisme

Ces couches S cristallisées peuvent être déposées sur presque toutes les surfaces. Pour cette application, les chercheurs ont attaché la couche S à une puce avec des réseaux de transistors à base de graphène que le laboratoire de Palacios avait précédemment développés. L’épaisseur atomique unique des transistors au graphène les rend idéaux pour le développement de détecteurs très sensibles.

Travaillant dans le laboratoire de Palacios, Xue a adapté la puce pour qu’elle puisse être recouverte d’une double couche de protéines – des protéines cristallisées de la couche S attachées à des protéines réceptrices solubles dans l’eau. Lorsqu’une molécule cible de l’échantillon se lie à une protéine réceptrice, la charge de la cible modifie les propriétés électriques du graphène d’une manière qui peut être facilement quantifiée et transmise à un ordinateur ou un smartphone connecté à la puce.

« Nous avons choisi le graphène comme matériau du transducteur car il possède d’excellentes propriétés électriques, ce qui signifie qu’il peut mieux traduire ces signaux. Il a le rapport surface/volume le plus élevé car il s’agit d’une feuille d’atomes de carbone, de sorte que chaque changement à la surface, causé par les événements de liaison aux protéines, se traduit directement dans l’ensemble du matériau », explique Xue.

La puce de transistor en graphène peut être recouverte de protéines réceptrices de la couche S avec une densité de 1 000 milliards de récepteurs par centimètre carré avec une orientation vers le haut. Cela permet à la puce de tirer parti de la sensibilité maximale offerte par les protéines réceptrices, dans la plage cliniquement pertinente pour les analytes cibles dans le corps humain.

La puce à matrice intègre plus de 200 dispositifs, offrant une redondance dans la détection des signaux qui aide à assurer des mesures fiables même dans le cas de molécules rares, telles que celles qui pourraient révéler la présence d’une tumeur à un stade précoce ou l’apparition de la maladie d’Alzheimer, selon les chercheurs.

Grâce à l’utilisation du code QTY, il est possible de modifier des protéines réceptrices naturellement existantes qui pourraient ensuite être utilisées, selon les chercheurs, pour générer un réseau de capteurs dans une seule puce afin de cribler pratiquement toutes les molécules que les cellules peuvent détecter. « Notre objectif est de développer la technologie de base pour activer un futur appareil portable que nous pouvons intégrer aux téléphones portables et aux ordinateurs, afin que vous puissiez faire un test à la maison et savoir rapidement si vous devez aller chez le médecin », explique Qing.

Cette histoire est republiée avec l’aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l’actualité de la recherche, de l’innovation et de l’enseignement au MIT.