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Des scientifiques de l’Université du Massachusetts à Amherst ont récemment annoncé l’invention d’un nanofil, 10 000 fois plus fin qu’un cheveu humain, qui peut être cultivé à moindre coût par des bactéries communes et peut être réglé pour « sentir » une vaste gamme de traceurs chimiques – y compris ceux donnés par des personnes souffrant de différentes conditions médicales, telles que l’asthme et les maladies rénales. Des milliers de ces fils spécialement réglés, chacun reniflant un produit chimique différent, peuvent être superposés sur de minuscules capteurs portables, offrant aux prestataires de soins de santé un outil sans précédent pour surveiller les complications potentielles de la santé. Étant donné que ces fils sont cultivés par des bactéries, ils sont organiques, biodégradables et bien plus écologiques que n’importe quel nanofil inorganique.
Pour faire ces percées, qui ont été détaillées dans la revue Biocapteurs et bioélectriques, les auteurs principaux Derek Lovley, professeur émérite de microbiologie à l’UMass Amherst, et Jun Yao, professeur de génie électrique et informatique au College of Engineering de l’UMass Amherst, n’avaient pas besoin de chercher plus loin que leur propre nez. « Le nez humain possède des centaines de récepteurs, chacun sensible à une molécule spécifique », explique Yao. « Ils sont beaucoup plus sensibles et efficaces que n’importe quel dispositif mécanique ou chimique qui pourrait être conçu. Nous nous sommes demandé comment nous pourrions tirer parti de la conception biologique elle-même plutôt que de compter sur un matériau synthétique. »
En d’autres termes, l’équipe s’est demandé si elle pouvait travailler avec la nature pour détecter la maladie – et il s’avère qu’elle l’a fait.
La réponse commence par une bactérie connue sous le nom de Geobacter sulfurreducensque Lovley et Yao utilisaient auparavant pour créer un biofilm capable de produire de l’électricité continue à long terme à partir de votre sueur. G. sulfurreducens‘ a la capacité naturelle surprenante de faire croître de minuscules nanofils électriquement conducteurs.
Mais G. sulfurreducens est une bactérie capricieuse qui a besoin de conditions spécifiques pour se développer, ce qui la rend difficile à utiliser à grande échelle. « Ce que nous avons fait », dit Lovley, « c’est de retirer le ‘gène du nanofil’ – appelé piline – de G. sulfurreducens et l’épisser dans l’ADN de Escherichia colil’une des bactéries les plus répandues dans le monde. »
Une fois le gène piline retiré de G. sulfurreducens, Lovley, Yao et leur équipe l’ont modifié pour qu’il inclue un peptide spécifique, connu sous le nom de DLESFL, qui est extrêmement sensible à l’ammoniac – un produit chimique souvent présent dans l’haleine des personnes atteintes de maladie rénale. Lorsqu’ils ont ensuite épissé le gène piline modifié en E. coli, la bactérie génétiquement modifiée a fait germer de minuscules nanofils hérissés du peptide de détection d’ammoniac. L’équipe a ensuite récolté ces nanofils sensibles à l’ammoniac et les a intégrés dans un capteur.
« La modification génétique des nanofils les a rendus 100 fois plus sensibles à l’ammoniac qu’ils ne l’étaient à l’origine », explique Yassir Lekbach, co-auteur principal de l’article et chercheur postdoctoral en microbiologie à l’UMass Amherst. « Les nanofils produits par des microbes fonctionnent bien mieux comme capteurs que les capteurs décrits précédemment fabriqués avec des nanofils traditionnels en silicium ou en métal. »
Et il n’est pas nécessaire de limiter ces nouveaux capteurs à l’ammoniac et aux maladies rénales. Toshiyuki Ueki, l’autre co-auteur principal de l’article et professeur de recherche en microbiologie à l’UMass Amherst, déclare qu' »il est possible de concevoir des peptides uniques, chacun d’entre eux se liant spécifiquement à une molécule d’intérêt. Ainsi, à mesure que davantage de molécules traceuses, émises par le corps et qui sont spécifiques à une maladie particulière sont identifiés, nous pouvons fabriquer des capteurs qui intègrent des centaines de nanofils de renifleurs de produits chimiques différents pour surveiller toutes sortes de conditions de santé. »
Un nouveau paradigme pour l’électrotechnique
Les nanofils traditionnels, fabriqués à partir de silicium ou de fibre de carbone, peuvent être hautement toxiques – les nanotubes de carbone sont eux-mêmes cancérigènes – et finissent comme des déchets électroniques non biodégradables. Leurs matières premières peuvent nécessiter d’énormes quantités d’énergie et d’intrants chimiques pour être récoltées et traitées, tout en laissant un impact environnemental profond. Mais parce que les nanofils de Lovley et Yao sont issus de bactéries communes, ils sont beaucoup plus durables.
« L’une des choses les plus passionnantes à propos de cette ligne de recherche », déclare Yao, « est que nous orientons l’ingénierie électrique dans une direction fondamentalement nouvelle. Au lieu de fils fabriqués à partir de ressources brutes rares qui ne se dégradent pas, la beauté de ces nanofils de protéines est que vous pouvez utiliser la conception génétique de la vie pour construire une plate-forme stable, polyvalente, à faible impact et rentable. »
Cette recherche a été soutenue par la National Science Foundation et nourrie par l’Institute for Applied Life Sciences (IALS) de l’UMass Amherst, qui combine une expertise approfondie et interdisciplinaire de 29 départements pour traduire la recherche fondamentale en innovations bénéfiques pour la santé et le bien-être humains.
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