En utilisant une approche appelée ADN Origami, les scientifiques de Caltech ont développé une technique qui pourrait conduire à des capteurs de biomarqueurs moins chers et réutilisables pour détecter rapidement les protéines dans les fluides corporels, éliminant la nécessité d’envoyer des échantillons dans les centres de laboratoire pour les tests.
« Nos travaux fournissent une preuve de concept montrant un chemin vers une méthode en une seule étape qui pourrait être utilisée pour identifier et mesurer les acides et les protéines nucléiques », explique Paul Rothemund (BS ’94), un associé en visite à Caltech en informatique et Sciences mathématiques et systèmes de calcul et de neurones.
Un article décrivant l’œuvre récemment apparu dans le journal Actes de l’Académie nationale des sciences. Les principaux auteurs de l’article sont l’ancien boursier postdoctoral Caltech Byoung-Jin Jeon et le diplômé actuel Matteo M. Guoreschi, qui a terminé les travaux dans le laboratoire de Rothemund.
En 2006, Rothemund a publié le Premier article sur l’origami de l’ADNune technique qui fournit un contrôle simple mais exquis sur la conception de structures moléculaires à l’échelle nanométrique en utilisant rien de plus que l’ADN.
Essentiellement, l’origami de l’ADN permet aux longs brins d’ADN de se plier, par l’auto-assemblage, dans n’importe quelle forme souhaitée. (Dans l’article de 2006, Rothemund a utilisé la technique pour créer des faces de smiley d’ADN miniatures mesurant 100 nanomètres à travers et 2 nanomètres d’épaisseur).
Les chercheurs commencent par un long brin d’ADN, l’échafaudage, en solution. Parce que les bases nucléotidiques qui composent l’ADN se lient d’une manière connue (l’adénine se lie à la thymine et la guanine se lie à la cytosine), les scientifiques peuvent ajouter des centaines de séquences courtes d’ADN complémentaire sachant qu’ils se lieront à l’échafaud à chaque extrémité à des endroits connus .
Ces morceaux courts et ajoutés d’ADN plient l’échafaudage et lui donnent une forme, agissant comme des « agrafes » qui maintiennent la structure ensemble. La technique peut ensuite être utilisée pour créer des formes allant d’une carte de l’Amérique du Nord et du Sud aux transistors à l’échelle nanométrique.
Dans le nouvel ouvrage, Rothemund et ses collègues ont utilisé l’origami d’ADN pour créer une structure de type lilypad – une surface plate et circulaire d’environ 100 nanomètres de diamètre, attaché par un lieur d’ADN vers une électrode en or. Le lilypad et l’électrode ont des brins d’ADN courts disponibles pour se lier à un analyte, une molécule d’intérêt pour la solution – qu’il s’agisse d’une molécule d’ADN, d’une protéine ou d’un anticorps.
Lorsque l’analyte se lie à ces brins courts, le lilypad est abaissé à la surface de l’or, amenant 70 molécules de rapporteur sur le lilypad (qui indiquent que la molécule ciblée est présente) en contact avec la surface de l’or. Ces journalistes sont des molécules réactives redox, ce qui signifie qu’elles peuvent facilement perdre des électrons pendant une réaction. Ainsi, lorsqu’ils se rapprochent suffisamment d’une électrode, un courant électrique peut être observé. Un courant plus fort indique qu’une plus grande partie de la molécule d’intérêt est présente.
Auparavant, une approche similaire à la fabrication de biocapteurs a été développée en utilisant un seul brin d’ADN plutôt qu’une structure d’origami d’ADN. Ces travaux antérieurs étaient dirigés par Kevin W. Plaxco (Ph.D. ’94) de UC Santa Barbara, qui est également auteur du journal actuel.
Guareschi’s Caltech souligne que le nouveau Lilypad Origami est grand par rapport à un seul brin d’ADN. « Cela signifie qu’il peut s’adapter à 70 journalistes sur une seule molécule et les éloigner de la surface avant de se lier. Ensuite, lorsque l’analyte est lié et que le lilypad atteint l’électrode, il y a un grand gain de signal, ce qui rend le changement facile à détecter, » Dit Guareschi.
La taille relativement grande de l’origami de Lilypad signifie également que le système peut facilement accueillir et détecter des molécules plus grandes, telles que les grandes protéines. Dans le nouvel article, l’équipe a montré que les deux brins d’ADN courts sur le lilypad et la surface d’or pouvaient être utilisés comme adaptateurs, ce qui en fait un capteur pour les protéines plutôt que pour l’ADN.
Dans les travaux, les chercheurs ont ajouté la biotine de vitamine à ces courts brins d’ADN pour transformer le système en capteur de la streptavidine protéique. Ensuite, ils ont ajouté un aptamère d’ADN, un brin d’ADN qui peut se lier à une protéine spécifique; Dans ce cas, ils ont utilisé un aptamère qui se lie à une protéine appelée facteur de croissance dérivé des plaquettes BB (PDGF-BB), qui pourrait être utilisé pour aider à diagnostiquer des maladies telles que la cirrhose et la maladie inflammatoire de l’intestin.
« Nous ajoutons simplement ces molécules simples au système, et elle est prête à ressentir quelque chose de différent », explique Guoreschi. « Il est assez grand pour accueillir tout ce que vous lui lancez – cela pourrait être des aptamères, des nanobodies, des fragments d’anticorps – et il n’a pas besoin d’être complètement redessiné à chaque fois. »
Les chercheurs montrent également que le capteur peut être réutilisé plusieurs fois, avec de nouveaux adaptateurs ajoutés chaque tour pour différentes détections. Bien que les performances se dégradent légèrement au fil du temps, le système actuel pourrait être réutilisé au moins quatre fois.
À l’avenir, l’équipe espère que le système pourrait également être utile pour la protéomique – des études qui déterminent quelles protéines sont dans un échantillon et à quelles concentrations. « Vous pourriez avoir plusieurs capteurs en même temps avec différents analytes, puis vous pourriez faire un lavage, changer les analytes et remaser. Et vous pourriez le faire plusieurs fois », explique Guareschi. « En quelques heures, vous pouvez mesurer des centaines de protéines en utilisant un seul système. »
Les auteurs supplémentaires de l’article, «Détection électrochimique à base d’ADN modulaire à base d’origami de l’ADN et des protéines», sont Jaimie M. Stewart de l’UCLA; Emily Wu et Ashwin Gopinath du MIT, Netzahualcóyotl Arroyo-Currás de la Johns Hopkins University School of Medicine, Philippe Dauphin-Ducharme de l’Université de Sherbrooke au Canada; et Philip S. Lukeman de l’Université St. John’s à New York.
Plus d’informations:
Byoung-Jin Jeon et al, détection électrochimique modulaire de l’ADN à l’ADN en origami de l’ADN et des protéines, Actes de l’Académie nationale des sciences (2024). Doi: 10.1073 / pnas.2311279121. Sur arxiv: Doi: 10.48550 / arxiv.2312.06554