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Nanoparticules : vers des machines moléculaires et des bio-ordinateurs

Dossier - Nanotechnologies : l'essor des nanobiologie, info, et nanotechnologies
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D'importants développements scientifiques et technologiques se sont réalisés au cours des dernières années en biologie. On voit apparaitre une convergence entre biotechnologies, infotechnologies, nanotechnologies et microélectroniques. Ces innovations auront une importance de plus en plus grande sur les sciences du vivant et leurs applications industrielles.

  
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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, ces nanoparticules 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.

Ces nanoparticules 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.

Ordinateur détectant plusieurs nanoparticules

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, grâce aux nanoparticules, 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.