Mesurer le bruit de grenaille des événements redox : une nouvelle approche de détection pour la nano-bio-électrochimie – Eshot

La mesure des faibles courants associés à la détection de molécules uniques reste un défi instrumental majeur en nanoélectrochimie. Au-delà de cette limite en sensibilité, la mesure elle-même change de nature dès lors qu’un « faible » nombre de molécules sont en jeu : les signaux déterministes laissent place à la détection de phénomènes aléatoires. Ceux-ci se manifeste sous la forme d’un « bruit » superposé au signal moyen, qui gagne en importance lorsque le nombre de molécules interrogé décroit. Dans ce cas, l'information n'est pas obtenue à partir du signal temporel moyen mais à partir d'une analyse statistique des événements stochastiques. Par conséquent, la conception des capteurs électrochimiques à l'échelle nanométrique doit s’accompagner du développement de nouveaux schémas de mesure qui permettent l'enregistrement et l'analyse de la composante de bruit stochastique des signaux électrochimiques.
L'objectif de ce projet est d'explorer cette nouvelle voie vers la détection électrochimique à l'échelle nanométrique/de la molécule unique, en combinant des concepts de la physique statistique et de la bio-nanoelectrochimie, tels qu'incarnés par les partenaires LAAS et LEM, respectivement.
Nous souhaitons en particulier appliquer cette problématique aux bio-capteurs electrochimiques à ADN, ou « E-DNA sensors ». Ces capteurs utilisent des brins-d’ADN à marqueur redox ancrés sur des électrodes pour détecter des bio-molécules d’intérêt médical. Ils sont actuellement d’une sensibilité insuffisante pour la détection de molécules uniques. Afin d'atteindre cette limite ultime, nous proposons leur miniaturisation et l’implémentation d’un schéma de lecture reposant sur la mesure du bruit redox.
Nos recherches porteront sur deux configurations, chacune produisant un type distinct de bruit redox. Le premier type de bruit, que nous avons récemment découvert, et que nous appelons "bruit d'équilibre", traduit le caractère discret des transferts d’électrons à une électrode portant une couche de molécules redox, qui seront ici des brins-ADN redox. Le deuxième type de bruit, le bruit de cyclage-redox, sera généré par des chaînes d'ADN redox attachées à leur l'extrémité et confinées dans un nanogap électrochimique.
Nous mènerons d’abord des recherches fondamentales pour comprendre la physique de ces bruits et déterminer leur potentiel en tant qu'observables en nanodétection. Des travaux expérimentaux visant à caractériser le « bruit » d’équilibre seront menés au LAAS, en utilisant des micro- et nano- électrodes portants des molécules (d’ADN) redox. Le bruit de cyclage redox sera mis en évidence et quantifié au LEM, où la microscopie électrochimique à force atomique (AFM-SECM) sera mise en œuvre pour produire des nanogaps contrôlables, confinant des brins d’ADN redox. L’analyse des résultats expérimentaux s’appuiera sur la poursuite du développement d’un logiciel de dynamique moléculaire (Q-Biol), capable de reproduire le mouvement Brownien des chaines ADN ainsi que les évènements de transferts d’électrons.
Les connaissances ainsi acquises seront réinvesties pour le développement d’une nouvelle génération d’un capteur de cellules cancéreuses, breveté précédemment au LAAS, dont la sensibilité et la résolution seront accrues par la mesure du bruit redox. Ce capteur cible les cellules cancéreuses exprimant la protéine d'adhésion EpCAM, en utilisant un aptamère redox spécifique. La sensibilité accrue apportée par la mesure du bruit redox permettra la résolution de récepteurs cellulaires uniques et l’accès à des propriétés inédites, telles que la densité et l'homogénéité de la population EpCAM sur la membrane cellulaire, ou encore la dispersion de la cinétique de reconnaissance moléculaire. Quantifier ces propriétés permettra de mieux discriminer et classer les différents types de cellules cancéreuses.