Un capteur d'ARN imprimé, sur de papier, jetable et recyclable basé sur CRISPR / Cas – CRISCOFET

Pour atteindre son objectif, le projet CRISCOFET a réuni des chercheurs issus de disciplines complémentaires : biologie moléculaire, chimie, science des matériaux, électronique et microfabrication. Cette collaboration a permis de développer un dispositif associant un système de reconnaissance biologique très spécifique à un capteur électronique de nouvelle génération.

Le principe repose sur l'utilisation de CRISPR/Cas13a, un système naturellement utilisé par certaines bactéries pour reconnaître des ARN étrangers. Les chercheurs programment cette « paire de ciseaux moléculaires » afin qu'elle identifie une séquence d'ARN caractéristique d'un virus, d'une bactérie ou d'un autre biomarqueur. Lorsque la cible est reconnue, Cas13a est activée et déclenche une réaction enzymatique qui peut être exploitée pour produire un signal mesurable.

Pour transformer cette réaction biologique en information directement exploitable, les chercheurs ont développé un capteur électronique reposant sur un transistor à effet de champ dont le matériau actif est une couche de graphène réduit. Ce matériau, dérivé du graphène, est particulièrement sensible aux modifications de son environnement chimique. Sa surface est recouverte de nanoparticules d'or auxquelles sont fixés de petits fragments d'ARN jouant le rôle de molécules « rapporteurs ». Lorsque Cas13a est activée par la présence de l'ARN recherché, ces molécules sont découpées, ce qui modifie la charge électrique à la surface du transistor. Cette variation est alors détectée sous la forme d'un changement des caractéristiques électriques du composant.

Tout au long du projet, les chercheurs ont optimisé les différentes étapes de fabrication et de fonctionnement du capteur. Ils ont notamment étudié les meilleures conditions de préparation de la surface du graphène, le choix des molécules d'ARN rapporteurs, les conditions d'utilisation de la protéine Cas13a ainsi que la stabilité des mesures électriques. Ces travaux ont permis d'améliorer progressivement la sensibilité et la reproductibilité du dispositif.

Cette approche présente un avantage majeur : le capteur est programmable. Pour détecter une nouvelle maladie, il n'est pas nécessaire de modifier l'électronique ; il suffit de changer la séquence d'ARN utilisée pour guider Cas13a vers une autre cible. Cette modularité fait de CRISCOFET une plateforme prometteuse pour développer de futurs outils de diagnostic rapides, portables et facilement adaptables à l'émergence de nouveaux agents infectieux ou à d'autres applications en santé.

Le projet CRISCOFET a permis de démontrer qu'il est possible de détecter directement une molécule d'ARN grâce à un capteur électronique associant la technologie CRISPR/Cas13a et un transistor à base de graphène. Cette preuve de concept constitue une avancée importante vers le développement de tests de diagnostic plus rapides, plus simples et plus facilement miniaturisables.

Les chercheurs ont mis au point un transistor dont la surface est fonctionnalisée avec des molécules d'ARN. Lorsque la protéine Cas13a reconnaît l'ARN cible, elle déclenche une réaction qui modifie les propriétés électriques du transistor. Cette variation est directement mesurée sous la forme d'un signal électrique, sans avoir recours aux méthodes de lecture optique habituellement utilisées.

Le projet a également permis d'optimiser les différentes étapes de fabrication du capteur et d'améliorer ses performances en étudiant l'influence de nombreux paramètres, comme la préparation du graphène, le choix des molécules d'ARN rapporteurs ou les conditions de fonctionnement de la protéine Cas13a. Ces optimisations ont conduit à un capteur capable de détecter de très faibles quantités d'ARN, avec une sensibilité comparable aux meilleures technologies actuellement développées dans ce domaine.

Enfin, les travaux ont confirmé la grande polyvalence de cette approche. En modifiant simplement la séquence d'ARN qui guide la protéine Cas13a, le même dispositif pourra être adapté à la détection de nombreux virus, bactéries ou autres biomarqueurs. Ces résultats ouvrent ainsi la voie à une nouvelle génération de biocapteurs électroniques portables, destinés au diagnostic rapide en santé, mais également à des applications dans les domaines de la sécurité alimentaire et de la surveillance environnementale.

Les résultats obtenus dans le cadre du projet CRISCOFET ouvrent la voie au développement d'une nouvelle génération de tests de diagnostic plus rapides, plus simples et plus accessibles. La démonstration d'un capteur électronique capable de détecter directement des molécules d'ARN constitue une étape importante vers la réalisation de dispositifs portables utilisables en dehors des laboratoires, par exemple dans les cabinets médicaux, les pharmacies ou au plus près des patients.

La technologie développée est également très polyvalente. Il suffit de modifier l'ARN guide utilisé par le système CRISPR/Cas13a pour adapter le capteur à la détection d'un autre virus, d'une bactérie ou d'un biomarqueur d'intérêt. Cette flexibilité permettra de répondre rapidement à l'émergence de nouveaux agents infectieux ou de développer des tests dédiés à d'autres domaines de la santé.

Les prochaines étapes viseront à intégrer l'ensemble du système dans un dispositif compact, avec une cellule microfluidique et une électronique de lecture miniaturisée, afin de remplacer les équipements de laboratoire actuellement nécessaires. À plus long terme, cette technologie pourrait trouver des applications dans le diagnostic médical, la surveillance des maladies infectieuses, le contrôle sanitaire des aliments ou encore le suivi de biomarqueurs associés à certaines pathologies. CRISCOFET constitue ainsi une base solide pour de futurs développements scientifiques, technologiques et industriels.

À l'instar des vaccins à ARN, notre proposition CRISCOFET est révolutionnaire: elle ne nécessite pas d'amplification génique. CRISCOFET combine cinq technologies récentes, CRISPR / Cas (répétitions palindromiques courtes groupées et régulièrement espacées), EGOFET (transistors organique à effet de champ et à grille électrolytique), xurographie, CMOS imprimé et substrat papier imprimable et respectueux de l’environnement, pour proposer une percée dans la détection de l'ARN, en allant de l’expertise biomoléculaire jusqu’à l'hybridation entre électronique organique et électronique conventionnelle.
La détection et la quantification de l'ARN sont extrêmement utiles pour identifier les infections virales à ARN, comme l'illustre la récente pandémie causée par le SRAS-CoV-2, mais elles sont également utilisées pour surveiller la prolifération bactérienne dans les aliments ou après une infection chez l'homme ou l'animal, ou pour surveiller l’évolution des maladies parce qu'un gène spécifique est exprimé ou parce que des miARN (microARN circulants) sont produits.
Les CRISPR / Cas sont de nouvelles ribonucléoparticules bioactives constituées de deux parties: une protéine Cas et un ARN (appelé ARN CRISPR, noté crARN). Le système est facilement programmable en modifiant la séquence du crARN: à chaque nouvelle cible, un nouveau crARN. Sa fonction est de fixer une séquence d'ARN cible spécifique par hybridation avec le crARN, puis d'activer une activité enzymatique ARNase. Ce projet propose une détection de l'activité RNAse en utilisant l’hydrolyse programmée d'un hydrogel réticulé par de l’ARN.
Les EGOFET sont des transistors organiques à effet de champ innovants pour lesquels un électrolyte est placé entre l'électrode de grille et le semi-conducteur organique. Comme pour tous les FET, la capacité de grille pilote le courant traversant le transistor. Nous proposons de fonctionnaliser la grille avec un hydrogel réticulé par des brins d'ARN de type poly(U). Lors de l'activité CRISPR / Cas RNAse, le gel s'effondre, ce qui est détecté par un changement de capacitance, amplifié par le transistor en un changement de courant.
L'approche que nous proposons contribuerait à rendre les tests ARN ‘Point-of-Care’ plus disponibles et plus faciles à déployer à grande échelle, plus sensibles, donnant un résultat immédiat. Ils seraient par ailleurs biosourcés et recyclables.