L'essor des bio, info, et nanotechnologies - 29/04/2007

Les "matériaux intelligents" vont être utilisés de plus en plus dans le cadre d'appareillage d'analyse. Récemment, des équipes de Berkeley ont mis au point des nanoparticules applicables dans un grand nombre de biotests. Il s'agit des "Quantum dots", des nanoparticules dont la couleur varie en fonction de la taille. Attachés à des macromolécules telles que des protéines ou de l'ADN, les Quantum dots permettront de suivre des molécules ainsi marquées dans le cours de processus métaboliques. Ces techniques s'avèrent plus fiable que le traçage par radioactivité ou fluorescence. Les Quantum dots sont capables d'émettre des couleurs vives lorsqu'elles sont excitées par une source lumineuse. Elles sont donc parfaitement visibles à l'aide d'un simple microscope optique. Leurs applications sont multiples, tant dans la recherche fondamentale et appliquée que dans la mise au point de médicaments, le diagnostic rapide et l'analyse génétique. Des chercheurs de Berkeley et du MIT ont réussi à fabriquer de tels cristaux formés d'un très petit nombre d'atomes et dont la taille est en relation directe avec leur couleur. Ils ont notamment utilisé dans ce but, un semi-conducteur le séléniure de cadmium. La longueur d'onde de la lumière émise par ces cristaux varie dans un spectre allant de l'ultraviolet à l'infrarouge, avec une bande d'émission très étroite (et donc très spécifique). Une particule de 2 nanomètres va émettre une couleur vert intense, tandis qu'une particule de 5 nanomètres présentera une coloration rouge vif. Une famille de Quantum dots va donc générer des couleurs allant du violet au rouge en passant par le bleu, le vert, le jaune et l'orange.

On comprend ainsi l'intérêt de ces nanoparticules: si on les enrobe d'une substance jouant le rôle de "Velcro" chimique, on peut leur accrocher des molécules diverses, telles que des protéines ou de l'ADN. Il devient donc possible de suivre et de visualiser ces substances au cours de processus biologiques au sein de cellules et de s'en servir pour créer une batterie de tests de diagnostic très fiables, peu coûteux, ultrarapides et pouvant être mis en parallèle dans des appareils automatiques de lecture. On pourra, par exemple, détecter dans le sang plusieurs types de virus en même temps. Le coût des réactifs, la simplicité des usages sont aussi considérablement améliorés. Avec les Quantum dots, des tests permettant l'analyse complète des 3 milliards de bases de l'ADN du génome humain sont en cours.

Une autre approche particulièrement intéressante pour la mise au point de biotests peu coûteux a été réalisée par le professeur Joseph Jacobson du Massachusetts Institute of Technology. Son équipe a réussi à imprimer sur du plastique des circuits intégrés capables de traiter de l'information. Jacobson a utilisé pour cela une imprimante à jet d'encre modifiée et chargée d'encre produite à partir de semi-conducteurs. De tels micro-processeurs plastiques pourront être intégrés à du matériel biologique pour servir de biocapteurs, de systèmes de suivi en continu de certains paramètres vitaux, voire d'émetteurs capables de transmettre de l'information à distance. Dans un proche avenir l'équipe de Jacobson fera appel à l'électronique moléculaire de manière à rendre biocompatibles les nouveaux circuits plastiques qu'ils ont mis au point.

Différentes méthodes et technologies de production ouvrent en effet la voie à des nouveaux types de polymères conducteurs et semi-conducteurs capables de servir de base à l'électronique moléculaire de demain. Les composants électroniques moléculaires se présentent actuellement comme les successeurs potentiels des semiconducteurs.

Ces composants de synthèse offrent de nombreux avantages par rapport aux semi-conducteurs classiques: assemblage tridimensionnel, matériaux de synthèse permettant d'obtenir des propriétés sur mesures, miniaturisation approchant celle des structures biologiques, possibilités d'interface avec des systèmes vivants (9,12,14).

L'objectif de nombreux chercheurs en électronique moléculaire est d'arriver à fabriquer des bio-ordinateurs à ADN et des mémoires de masse utilisant des protéines photosensibles. L'idée d'une informatique à base d'ADN a été lancée pour la première fois en 1994 par Léonard Aldeman de l'Université de Californie. Dans un article désormais célèbre, il explique comment on peut utiliser une méthode biologique de laboratoire pour résoudre un problème classique de mathématiques: organiser l'itinéraire d'un voyageur de commerce passant par 7 villes sans jamais en retraverser une seule. Plusieurs laboratoires dans le monde ont réussi à reproduire la technique bioinformatique de Aldeman en utilisant la biologie moléculaire classique et des méthodes enzymatiques. Les brins d'ADN comportant des éléments spécifiques, comme les codes chimiques correspondant aux villes de l'expérience originale, se combinent en parallèle dans les tubes à essai en un temps très court et donnent la solution du problème. L'extraction, le tri et la lecture des séquences de molécules d'ADN comportant la solution au problème posé ne peuvent se faire que par des opérations longues et routinières.

C'est pourquoi de nombreux laboratoires dans le monde travaillent actuellement à l'automatisation des processus enzymatiques permettant d'analyser les molécules donnant la solution au problème posé, grâce, notamment à des nanolaboratoies fonctionnant en parallèle. Le bio-ordinateur à ADN permettra de traiter en un temps record des problèmes d'une grande complexité, mais restera sans doute complémentaire de l'informatique utilisant des semiconducteurs ou l'électronique moléculaire. Les progrès réalisés au cours des deux dernières années permettent d'augurer de nouveaux débouchés dans le secteur du traitement moléculaire de l'information.

Un tel traitement va de pair avec la mémorisation des informations à l'échelle moléculaire. Des protéines naturelles pourraient servir de mémoires de masse pour les bio-ordinateurs du futur. Les protéines photoréceptrices, comme la bactériorhodopsine (BR), sont capables de convertir directement la lumière en un signal. Ce processus implique la formation d'un dipôle électrique et s'accompagne d'un changement de couleur de la protéine.

Au cours de ce processus une charge positive est transférée depuis l'intérieur vers l'extérieur de la cellule. Ce qui constitue la base d'un mécanisme de stockage d'énergie dans la bactérie utilisant cette protéine. Ce principe peut être utilisé pour stocker des informations et des données. Des techniques d'ingénierie génétique peuvent être utilisées pour stabiliser les deux états naturels de la molécule de BR et passer de l'un à l'autre en utilisant des lumières de couleurs différentes. En affectant des valeurs binaires 0 et 1 aux deux états de la protéine, un ensemble de molécules peut servir de mémoire de masse.

On peut en effet superposer plusieurs pellicules BR les unes sur les autres pour créer des mémoires en trois dimensions. Leurs très petites tailles permettraient de créer d'énormes capacités de stockage par unité de volume.