Nanopores de nitrure de silicium et de graphène pour les biotechnologies et la biologie – BioGraph'n

De nombreux processus biologiques ou chimiques font intervenir le transport de macromolécules à travers des canaux très étroits de taille nanométrique. Nous avons été les premiers en France à étudier ces processus sur des canaux naturels (dès 2003) puis sur des canaux artificiels obtenus en perçant des membranes ultraminces de SiC et Si3N4 avec un faisceau d’ions focalisé (FIB) et en utilisant une méthode simple de détection électrique du passage des molécules dans un pore. Nous souhaitons poursuivre ces recherches en développant les différents aspects : fabrication, détection, applications.

Nous proposons d’abord de percer des nanopores dans des feuillets uniques de graphène par un système optimisé de faisceau d’ion Gallium ou d’Hélium, puis d’étudier son utilisation comme outil de séquençage ultra-rapide d’ADN et de protéines. Ce domaine que nous explorons depuis deux ans est en pleine explosion.

Pour la détection nous souhaitons développer la détection optique et mécanique du passage de macromolécules dans un nanopore.
La détection optique fait appel à l’utilisation de macromolécules fluorescentes ou luminescentes (luciférase) et à la modification de la surface des membranes de nitrure de silicium par dépôt de silicium ou d’or pour éclairer un pore sans lumière parasite en absorbant la lumière ou en empêchant sa propagation.
La détection mécanique des forces exercées sur une macromolécule passant dans un nanopore s’effectue quand la macromolécule est reliée à un microscope à force atomique ou accrochée à une bille placée dans un piège optique. Nous proposons de mesurer le travail fourni à une macromolécule (dans des situations hors de l’équilibre thermodynamique) et d’utiliser les récentes relations de Jarzynski pour étudier le paysage énergétique exploré lors de la translocation.
La technique de perçage de nanopores par faisceau d’ions focalisé permet de fabriquer des nanopores de façon contrôlée en grande quantité et d’envisager leur commercialisation pour la recherche et les applications. Nous envisageons des applications dans le domaine de la biologie (repliement des protéines) et des biotechnologies, hors de l’application au séquençage de l’ADN, très explorée.

Nous nous sommes associés à une jeune entreprise issue de l’un des laboratoires partenaires pour étudier la fabrication par extrusion moléculaire de vecteurs pour la transfection d’ADN et la thérapie génique. L’application d’un champ électrique ou d’une pression force le passage d’un plasmide d’ADN (anionique) dans un nanopore de nitrure de silicium et met en sortie la molécule au contact d’une solution de polymère cationique. Il se forme alors un complexe de taille et de composition contrôlée ne contenant qu’une unité d’ADN par nanoparticule.
Nous proposons sur le même principe d’extrusion moléculaire d’étudier la synthèse de polymères à travers un nanopore et de contrôler le dépliement et le repliement de protéines à l’aide de nanopores. Nous utiliserons en particulier un nouveau modèle expérimental, la luciférase, qui permet une détection optique de son transport et de son repliement fonctionnel à travers un nanopore.

Nous espérons ainsi créer des objets et des procédés bio-mimétiques nouveaux permettant l’analyse, la manipulation et la synthèse de macromolécules ou d’assemblage macromoléculaires avec une résolution spatiale et temporelle inégalée.