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Brevets et licences

Une nanopince pour analyser les caractéristiques mécaniques des macromolécules

Les microsystèmes électromécaniques, ou MEMS, se sont développés ces dernières années à un point tel qu’ils rendent aujourd’hui la saisie et l’étude des fibres d’ADN possibles. Une équipe franco-japonaise1 a en effet développé une technique brevetée2 pour analyser les propriétés mécaniques des macromolécules en milieux liquides : leur nanopince à ADN permet d’utiliser des capteurs qui ne fonctionnent pourtant qu’à l’air libre3.

Afin d’étudier des macromolécules telles que l’ADN, les chercheurs disposent de nombreuses méthodes biochimiques, comme l’immunofluorescence à base d’anticorps. Cependant, les molécules ne se définissent pas uniquement selon des critères chimiques. Divers phénomènes - comme la polymérisation de l’ADN - liés à leur structure modifient également leurs caractéristiques physiques (résistance mécanique, viscosité, rigidité...). Ces données servent à mieux comprendre les transformations subies par les macromolécules et à établir des diagnostics.

Différents instruments, comme les pinces optiques et les microscopes à force atomique, permettent de recueillir ces informations. Mais leur mode opératoire sophistiqué et leur coût trop important rendent leur utilisation incompatible avec des tests de routine, par opposition aux MEMS (ou microsystèmes électromécaniques). Ces systèmes microscopiques peu coûteux combinent des éléments mécaniques, optiques, électromagnétiques, thermiques mais aussi fluidiques à de l’électronique sur des substrats semi-conducteurs communs. Assurant des fonctions de capteurs de paramètres physiques (pression, accélération...) ou d’actionneurs, ils trouvent aujourd’hui des applications dans de nombreux domaines.

Néanmoins, ces systèmes fonctionnent mal, voire pas du tout, dans les milieux liquides où doivent être maintenues les macromolécules en suspension. Il est en effet impossible d’extraire des brins d’ADN d’une solution sans altérer leurs caractéristiques physiques, car ceux-ci tendent à se dessécher et à se rigidifier à l’air libre. Des chercheurs du Laboratoire international mixte entre le CNRS et l'Université de Tokyo, du Laboratoire des multimatériaux et interfaces, de l’Institut d’électronique de microélectronique et de nanotechnologies et du Centre for interdisciplinary research on micro-nano methods1 se sont penchés sur le sujet et y ont trouvé une solution.

Ils ont développé une nanopince en silicium capable de capturer des fibres d’ADN ou de macromolécules de même échelle. Placée avec précision à l’interface entre milieu liquide et milieu extérieur, la molécule ne quitte jamais la solution et n’est pas dénaturée. Les capteurs du MEMS, qui restent au sec, analysent alors les propriétés mécaniques de la macromolécule via la résonance de la nanopince, dont seules les pointes baignent dans la solution. Il s’agit d’une première : jamais auparavant il n’avait été possible de maintenir une macromolécule dans un liquide et d’effectuer en même temps des mesures à l’air libre.

Grâce à un réseau microfluidique, l’équipe peut exposer la macromolécule à différents réactants successifs et observer en temps réel sa réponse mécanique, avec une stabilité de mesure de plus de dix heures. Les chercheurs ont d’ailleurs démontré l’efficacité du système en analysant l’évolution des brins d’ADN en fonction du pH de la solution et leur rigidification lors d’une exposition de plus en plus importante aux ions argent.

Alors que le marquage biochimique des molécules réclame du temps et la présence d’un opérateur particulièrement qualifié, ce système comporte l’avantage d’être économique, rapide, portatif et automatisé.

Il peut également être appliqué à l’étude de nanotubes, de fibres de polymères ou de filaments de protéines. À l’aide de nanopinces adaptées, aux extrémités plates, la technique s’applique même aux cellules vivantes. La valorisation de cet aspect fait l’objet d’un brevet en cours de dépôt par la start-up SenCET, incubée au sein de l’agence Eurasanté à Lille. Ces méthodes visent tout particulièrement des applications dans la recherche sur les tumeurs et les cancers. Liés au projet franco-japonais SMMIL-E4, ces travaux bénéficient d’un transfert de technologie entre l’oncologie française et le savoir-faire de pointe des Japonais en matière de bio-MEMS.

Voir le film paru dans CNRS Le Journal.

 

1 Laboratory for integrated micro-mechatronic systems (CNRS/Université de Tokyo), Laboratoire des multimatériaux et interfaces (CNRS/Université Claude Bernard Lyon 1), Institut d’électronique, de microélectronique et de nanotechnologies (CNRS/Université Lille 1/Université de Valenciennes et du Haut Cambrésis/ISEN Lille/Ecole centrale de Lille), Centre for interdisciplinary research on micro-nano methods (Université de Tokyo).

2 JP n° 2014-236193.

3 « A rapid and practical technique for real time monitoring of biomolecular interactions using mechanical responses of macromolecules », Mehmet C. Tarhan et al, Nature Scientific Reports, 16 juin 2016, DOI: 10.1038.

4 Seeding microsystems in medicine in Lille - European Japanese technologies against cancer (CNRS, université Lille 1, université de Tokyo et centre Oscar Lambret de Lille).

 

Contact :

Dominique COLLARD / Laboratory for Integrated Micro Mechatronics Systems (LIMMS) / collard@iis.u-tokyo.ac.jp