Biodétection d'analytes de faible taille par l'intermédiaire de nanostructures résonantes – NanoBioSensor

Notre capteur bimodal est basé sur l'intégration de la MQ et de la DRES dans une seule et unique biopuce. Quelle que soit la complexité induite par la réalisation du capteur, notre approche a pu être simplifiée, dans un premier temps, en divisant notre capteur en deux composants principaux : le transducteur (la biopuce multimodale pour la MQ et le DRES) et le biorécepteur (fonctionnalisation de la surface de la biopuce). Les propriétés de chaque composant ont été étudiées et optimisées.
Au final, nous avons pu intégrer plusieurs technologies (nanolithographie de surface, MQ, DRES, chimie de surface) dans un système unique pour proposer un nouveau biocapteur dans une approche transdisciplinaire. Les connaissances scientifiques et technologiques utilisées dans notre biocapteur ayant été établies depuis plusieurs années, l’un des principaux défis a été leur adaptation et leur optimisation pour l’application spécifique que nous voulions développer.

Nous avons conçu et optimisé le transducteur bimodale MQ/DRES. Notre méthode de détection a été validée sur le système streptomycine/aptamère. Des mesures MQ/DRES ont permis de déterminer la quantité de biorécepteurs déposés sur la biopuce et l'interaction aptamère/streptomycine (calcul de la constante de dissociation et observation de modifications structurales induites suite à l'interaction). A partir de ces résultats, nous avons apporté une preuve de concept indiscutable du couplage MQ/DRES et de son intérêt sur la détection de molécules et sur l'observation des interactions moléculaires.

Le couplage étant validé, nous souhaitons utiliser cette nouvelle méthode pour l'observation des interaction biomoléculaires.

Ce projet a donné lieu à une large valorisation de ces résultats. 3 publications ont été acceptées dans des revues internationales avec un facteur d'impact > 6. 3 autres publications devraient être soumises dans la continuité du projet. De plus, les résultats ont été présentés dans des congrès scientifiques internationaux ou nationaux soit sous forme d'oraux (conférences internationales : 12 dont 6 invités et nationales : 3) ou de posters (conférences internationales : 8 et nationales : 2).

Les biocapteurs sont des dispositifs analytiques constitués de deux éléments principaux : un transducteur physico-chimique et un élément biologique servant de biorécepteur. Ces dispositifs sont élaborés avec l'objectif de détecter une cible en faible quantité de manière spécifique et rapide dans un environnement complexe. Un des principaux défis dans le domaine des biocapteurs est la sensibilité. Ceci est particulièrement vrai dans le cas de cibles de faible poids moléculaire comme les toxines ou les molécules odorantes, la réponse des techniques de détection classiques étant généralement au-dessus des limites de détection exigées. La sensibilité des biocapteurs peut être améliorée soit en optimisant la qualité du biorécepteur, soit en amplifiant le signal mesuré par les techniques de transduction. De nombreux progrès ont été faits dans l’optimisation de l'affinité de biorécepteurs tels que les anticorps, les aptamers, ou les « agents » spécifiques conçus pour reconnaître et lier des cibles de faible poids moléculaire en solution ou dans l'air. De plus, les développements récents des processus de nanostructuration ont ouvert la voie à la mise au point de méthodes reproductibles et fiables de transduction optique et spectroscopique.
Dans ce contexte, nous proposons de combiner les méthodes de transduction piézoélectrique et spectroscopique pour la détection d'analytes de faible poids moléculaire avec deux objectifs principaux : (i) au niveau fondamental, nous visons à obtenir une compréhension détaillée des interactions moléculaires se produisant entre le biorécepteur et l’analyte, tandis que (ii) au niveau appliqué, nous avons l'intention de concevoir des biocapteurs sensibles pour une telle détection.
Pour les biorécepteurs, nous utiliserons des anticorps et des aptamers ainsi que des structures chimiques synthétiques, définis comme des « sélecteurs » moléculaires. Pour la partie transduction, nous proposons une méthode de détection visco-élastique basée sur le principe de la microbalance à quartz (QCM) combinée aux spectroscopies vibrationnelles exaltées de surface (diffusion Raman ou absorption IR) plus connues sous les noms de SERS et SEIRAS, respectivement. Une telle combinaison sera rendue possible par la nanostructuration de la surface de l’électrode en QCM. L'objectif d'une telle combinaison est d'améliorer de manière significative les performances du biocapteur et de l’ouvrir à de nouvelles fonctionnalités. Premièrement, le QCM fournira une détection rapide de n'importe quelle interaction entre le biorécepteur et la cible à détecter, ouvrant la voie à l’étude détaillée des mécanismes d'interaction à l’échelle moléculaire. Deuxièmement, à partir de la signature spectrale vibrationnelle, le SERS et le SEIRAS permettront l'identification de l'analyte ainsi que l’observation d’éventuelles modifications structurales due à l'interaction avec le biorecepteur.
De plus, ces deux spectroscopies exaltées exploitent les propriétés plasmoniques des nanostructures métalliques qui créent un champ électromagnétique très intense au voisinage des nanostructures. Cette exaltation électromagnétique induit une augmentation des signaux Raman ou IR. Les facteurs d’exaltation en SERS et SEIRAS ont été évalués pour être de l’ordre de 106 à 1010, ouvrant la voie à l'observation et à la détection de très faibles quantités de molécules. Un biocapteur basé sur ce principe sera donc à la fois rapide, fiable, spécifique et extrêmement sensible.
Le succès de ce projet repose sur l'expertise complémentaire des partenaires impliqués dans les domaines des spectroscopies vibrationelles exaltées, la nanostructuration de surface et la fonctionnalisation de surface.