À l'heure des (bio)capteurs

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octobre 2008
© Nathalie Blanc

Les capteurs de demain associent microélectronique et biologie. Ultrasensibles, ils vont relever de nouveaux défis.

Les biopuces sont des laboratoires de quelques centimètres carrés, capables d’identifier en un temps record la présence d’ADN ou de protéines. Elles ont déjà révolutionné l’univers de la détection biologique. Demain, les biopuces seront formées de biocapteurs, capables de détecter électroniquement de l’ADN et des protéines, mais aussi des variations d’ambiance gazeuse ou liquide. Le groupe microélectronique de l’Institut d’électronique et de télécommunications de Rennes (IETR) est sur le coup. Ses travaux ont d’ailleurs donné lieu au dépôt d’un brevet en 2004 et deux doctorants(1) terminent actuellement leur thèse sur les biocapteurs à ADN et à protéines.

Tout est dans le transistor

Dans ces petits appareils, tout repose sur un composant bien connu des microélectroniciens et présent dans nos cartes à puces : le transistor. Il est composé d’un empilement de couches conductrices et isolantes. Dans un biocapteur, la partie isolante est laissée vide pour pouvoir y glisser la substance à analyser. « Lors de nos premiers essais en 2002, nous testions la réponse du capteur dans l’air, dans des gaz et des liquides, explique Anne-Claire Salaün du groupe microélectronique. Nous avons beaucoup travaillé avec nos collègues de l’institut de chimie de l’Université de Rennes1 sur la surface du composant, pour arriver à remplir de liquide un espace de 0,5µm d’épaisseur, sans le boucher ! »

Un décalage de tension

Ce n’est qu’en 2005 que les essais avec l’ADN et les protéines ont vraiment débuté. « Nous commençons par fonctionnaliser le capteur, c’est-à-dire par y accrocher le brin d’ADN complémentaire de celui que l’on recherche, ou l’anticorps spécifique de la protéine visée. » Cette fois, c’est avec des biologistes de l’Inserm, de l’Université de Rennes1 et du CHU de Pontchaillou que les chercheurs du groupe microélectronique ont travaillé pour comprendre les spécificités de chaque molécule. L’accrochage entre les deux parties se fait par immersion. Pour détecter la fixation, les biocapteurs exploitent le fait que les molécules biologiques sont chargées. La détection repose sur un décalage de tension.

Détection de la mucoviscidose

Dans le cas de l’ADN, la réponse du biocapteur est relativement simple : si le brin complémentaire est présent, on observe une différence de tension ; s’il ne l’est pas, il n’y a pas de décalage de tension. C’est le principe du tout ou rien. La différence de tension mesurée est relativement grande, de l’ordre de 200mV, mesurable avec un voltmètre classique, contrairement à ce que l’on pourrait croire, vu les volumes de produits et la taille des molécules manipulés !

« Nous travaillons en étroite collaboration avec le CHU de Nantes, notamment sur la détection de la mucoviscidose », poursuit la chercheuse. Cette maladie génétique est causée par la perte de trois bases dans un gène précis. Or cette différence de trois bases suffit à rendre impossible l’hybridation avec le brin d’ADN normal. « Nous testons en ce moment différentes températures d’hybridation et différents modes de lavage, tout en essayant de diminuer la concentration d’ADN cible. Notre but est d’éviter les faux accrochages et d’augmenter la sensibilité du biocapteur. »

Dix fois plus sensible

Le biocapteur à protéine est un peu différent. « Il permet non seulement de détecter la présence de la protéine, mais aussi de la doser, précise sa collègue France Le Bihan. L’étape de fonctionnalisation du capteur est alors cruciale. Car il faut que la réaction soit reproductible et suffisamment sensible pour détecter de très petites quantités. » Mais les résultats sont évocateurs : les premiers dosages réalisés sur la transferrine, une protéine du sang, ont permis de détecter des quantités dix fois inférieures à celles détectées par les laboratoires d’analyses classiques ! Et les tests de sélectivité, pour voir comment le biocapteur se comporte dans un milieu complexe, sont encourageants.

Bien sûr, l’idéal consisterait à travailler directement à partir d’une goutte de sang. Et même à associer différents capteurs, chacun spécifique d’une protéine, pour réaliser une analyse biologique complète. Mais on n’en est pas encore là. Les biocapteurs n’ont pas encore atteint la phase d’industrialisation. « D’autres chercheurs commencent à s’y intéresser. Nous avons par exemple été contactés par quelqu’un qui voulait mesurer en continu le pH dans le ventre d’une vache ! », note la chercheuse. Si l’application surprend, le biocapteur, lui, est bien prêt et a aussi fait ses preuves pour mesurer des pH : il est quatre à cinq fois plus sensible que les appareils classiques.

Le virus des capteurs se transmet

L’idée de créer un réseau de recherche et d’innovation autour des “puces communicantes” est née il y a déjà plusieurs années. Daniel Thouroude, directeur de l’Institut d’électronique et de télécommunications de Rennes (IETR), et Patrice Quinton, directeur de l’ENS Cachan - antenne de Bretagne, en sont à l’origine. « Il s’agit de formaliser les échanges entre les différents acteurs, de fédérer les activités en développement dans le domaine des puces, des capteurs et des réseaux de capteurs », souligne Patrice Quinton. Cela concerne une cinquantaine de personnes en Bretagne. Ce réseau, encore informel, devrait prendre la forme d’un Groupement d’intérêt scientifique (Gis), d’ici quelques mois, dans le cadre de l’Université européenne de Bretagne (UEB). En attendant, cela n’a pas empêché certains projets interdisciplinaires de commencer, aux frontières de la santé, de la chimie et de la microélectronique.
Rens. :
Daniel Thouroude, IETR - Tél. 02 23 23 62 07
Patrice Quinton, ENS Cachan - antenne de Bretagne - Tél. 02 99 05 93 02

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Nathalie BLANC

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