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Antennes Optiques Assemblées sur ADN : spectroscopie exaltée, capteurs et photothermie – DNAntenna

Des antennes optiques à base d’ADN

En associant nanoparticules d’or et échafaudages d’ADN, nous essayons de concevoir des capteurs biochimiques et agents thérapeutiques en miniaturisant les antennes aux échelles nanométriques pour fonctionner avec la lumière.

Utiliser la lumière pour sentir et agir sur la matière aux échelles nanométriques

Le nanomètre est l’échelle typique des biomolécules (ADN et protéines). Ces objets sont trop petits pour être vus ou influencés par la lumière, ce qui limite la conception de biocapteurs ou agents thérapeutiques qui utilisent la lumière. Dans ce projet, nous concevons des « antennes » ou « loupes » nanométriques qui fournissent un signal lumineux en interagissant avec des espèces chimiques spécifiques pour indiquer leur présence. Le but est alors de mesurer des quantités infinitésimales de brins d’ADN ou protéines correspondant à une pathologie donnée. Comme ces nanoantennes sont biocompatibles et chauffent, elles pourront aussi devenir des agents thérapeutiques par photothermie, mais uniquement actifs en présence de cofacteurs chimiques spécifiques pour limiter leur toxicité à des zones voulues.

Les nanoparticules d’or ont des propriétés exceptionnelles : elles interagissent intensément avec la lumière mais très peu avec leur environnement chimique, leur conférant une stabilité et une biocompatibilité sans équivalent. De plus, des méthodes d’accrochage de brins d’ADN synthétiques à la surface de particules d’or ont été développées depuis plus de 15 ans et permettent d’obtenir de façon reproductible des assemblages or/ADN très contrôlés. La stabilité, la plasticité et la programmabilité de l’ADN autorisent alors la conception de nanostructures dont la réponse optique va être sensible à son environnement chimique. Nous construisons de petits assemblages de particules d’or dont la forme varie par l’accrochage (hybridation) ou le décrochage d’une unique molécule d’ADN. Si cette variation de forme modifie le signal optique macroscopique de la nanoantenne d’or, on a alors produit un capteur de sensibilité ultime : à la molécule unique. Nous étudions ces nanoobjets individuels par diverses méthodes spectroscopiques pour estimer leur sensibilité mais aussi leur capacité à chauffer leur environnement. De plus, nous évaluons comment ces petites antennes peuvent amplifier des signaux lumineux (fluorescence, diffusion Raman) inhérents aux espèces biochimiques, pour les rendre mesurables.

Nous avons récemment conçu des paires de nanoparticules d’or, liées par un unique échafaudage d’ADN, dont la distance varie réversiblement d’un facteur 3 quand on ajoute ou retire un unique brin d’ADN de séquence bien spécifique. Nous avons mesuré précisément la variation de distance en visualisant ces nanostructures directement dans l’eau, à l’aide d’un microscope électronique.

Des assemblages de nanoparticules d’or qui se déforment en présence d’une biomolécule spécifique est la première étape de ce projet. Il nous faut maintenant optimiser le design des nanoobjets pour traduire en un signal lumineux ces changements de conformation.

Article soumis sur les dimères déformables de particules d’or :
L. Lermusiaux, A. Sereda, B. Portier, E. Larquet et S. Bidault, Reversible Switching of the Interparticle Distance in DNA Templated Gold Nanoparticle Dimers, soumis 09/2012
Contributions orales à des conférences internationales sur ce sujet :
L. Lermusiaux, M. P. Busson, A. Sereda, E. Larquet, A. Polman and S. Bidault, Gold nanoparticle dimers built on a dynamic DNA template: step-by-step assembly and optical properties, Spring Meeting de la société de recherché sur les matériaux (MRS), Avril 2012, San Francisco, Etats-Unis
L. Lermusiaux, M. P. Busson, E. Larquet and S. Bidault, Dynamic DNA-templated gold nanoparticle groupings for single-molecule chemical sensing, International Conference on Nanoscience + Technology, Juillet 2012, Paris, France

Le but de ce projet est de développer de nouvelles stratégies de capteurs basées sur des antennes optiques présentant un site de reconnaissance chimique spécifique. Les nanostructures à bases de particules d’or sont connues pour la sensibilité de leurs propriétés optiques à leur environnement et à leur géométrie mais aussi pour leur capacité à amplifier la réponse photochimique de molécules (par exemple la diffusion Raman). Toutefois l’introduction d’un site de reconnaissance dans l’interstice entre les particules est nécessaire pour exploiter ces propriétés de façon optimale.
Nous souhaitons donc développer des techniques d’auto-assemblages de particules d’or à base de brins d’ADN pour maîtriser totalement l’environnement chimique de l’antenne. Cette approche est radicalement différente de celle mise en œuvre dans les nanostructures fabriquées par lithographie top-down pour lesquelles la fonctionnalisation de surface est homogène sur toute l’antenne. Au contraire, un échafaudage biochimique peut être modifié localement pour reconnaître une cible moléculaire à l’emplacement de la nanostructure où elle fournira un signal optique maximal. En pratique, nous greffons un nombre donné de simple brins d’ADN à la surface de particules d’or passivées dont la séquence a été préalablement choisie. Nous développons ces méthodes d’assemblages depuis plusieurs années et avons synthétisé des groupements de particules bien définis pour leurs propriétés d’exaltation de champ ou encore des dimères de particules de diamètre atteignant 40 nm liées par des brins d’ADN de longueur pouvant descendre à 9 nm de long. Ces antennes seront caractérisées par microscopie électronique en transmission et en microscopie confocale de diffusion.
Nous proposons ici de faire évoluer ces antennes statiques vers des capteurs chimiques et des sources photothermiques :
(1) Conception de substrats pour la spectroscopie exaltée où un chromophore cible se positionne dans l’interstice entre deux particules pour amplifier sa réponse optique. Nous fabriquerons ainsi des nanostructures pour obtenir le signal Raman d’une molécule unique en la plaçant spécifiquement sur un point chaud électromagnétique.
(2) Développement de capteurs sans marquage actif en utilisant des échafaudages d’ADN dynamiques dont la forme change après reconnaissance d’un analyte, modifiant ainsi la force du couplage plasmon entre particules et donc la réponse optique de l’antenne. Ce processus de reconnaissance sera étudié en utilisant un simple brin d’ADN comme molécule cible ou, plus généralement, en introduisant une séquence aptamère dans l’échafaudage biochimique.
(3) Au-delà de leurs propriétés de capteurs, des antennes dynamiques peuvent être utilisées comme marqueurs optiques intelligents, à l’image des balises moléculaires utilisant le FRET, en fournissant un signal optique cohérent et photostable. Comme des antennes plasmoniques chauffent localement leur environnement sous excitation lumineuse résonante, un groupement dynamique de particule d’or est une source photothermique activable chimiquement. Cette propriété sera étudiée en utilisant un montage d’imagerie photothermique holographique récemment développé au laboratoire.

Coordinateur du projet

Monsieur Sébastien Bidault (Divers public)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE - DELEGATION REGIONALE ILE-DE-FRANCE SECTEUR PARIS B

Aide de l'ANR 164 601 euros
Début et durée du projet scientifique : février 2012 - 36 Mois

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