Comptage d'événements de transfert d'électron individuels dans les processus électrochimiques: une nouvelle approche en biodétection – SIBI

Le partenaire LEM a assemblé sur électrodes d’or ultra-planes un premier système à ADN redox modèle, constitué de brins courts d’ADN à tête ferrocène (Fc), de séquences dT20 et dT50. Il en a mesuré la réponse électrochimique, à l’échelle d’ensemble par voltamétrie cyclique rapide, et aussi à l’échelle de quelques brins individuels par microscopie électrochimique à force atomique (AFM-SECM). La modulation de la réponse électrochimique par hybridation des brins ancrés par des chaines ADN complémentaires en solution a été mise en évidence et étudié. Ces données expérimentales sont maintenant comparées aux prévisions théoriques issues des modèles et simulations numériques développées parallèlement par le LIMMS. Cette étude devrait permettre une compréhension poussée de la réponse dynamique des chaines Fc-ADN ancrées sur électrode. Au-delà de son intérêt propre, ce résultat constitue un prérequis pour la suite du projet.

Pour la partie simulation réalisée au LIMMS, un logiciel (Q-Biol) a été développé. Il permet, en combinant dynamique moléculaire avec un modèle réaliste large grain et séquence dépendant de l’ADN validé par de nombreuses expériences, et transport quantique de charges, de simuler numériquement les expériences de comptages des électrons. Ceci permet non-seulement d’explorer les approches de comptages des électrons pour l’électrochimie, mais par ailleurs de fournir un support important pour les expériences réalisées au LEM.

Pour la partie fabrication réalisée au LIMMS, plusieurs wafers de nanodots d’or de différents diamètres (autour de 10 nm), épaisseur (de 4 à 10 nm) ont été fabriqués. Ces différents paramètres permettront de faciliter les conditions expérimentales pour les mesures en Mt-AFM-SECM et également pour l’assemblage de molécules uniques par plot. Compte-tenu du cout e-beam pour l’écriture de grandes surfaces et des tailles des objets, ceci a nécessité une étude complète pour optimiser l’utilisation des machines pour une écriture « haute vitesse ».
Une méthode permettant de supprimer une partie du bruit dans les nanotransistors, très importante pour le projet a été validée et publiée.
3 wafers de nanotransistors (20 nm) ont été fabriqués. Ensuite, des tests ont été réalisés pour réussir à aligner des nanodots de 20 nm précisément au-dessus des nanotransistors de taille équivalente. Le rendement est assez faible pour l’instant, mais suffisant.
Les nanotransistors ont été testés au LIMMS. Ils sont opérationnels avec un rendement conforme aux attentes (50%), compte tenu de la variation de paramètres pour permettre d’optimiser les chances de détection de charges élémentaires uniques. Ils ont également été testés en environnement fluidique (avec/sans nanodots d’or). Nous avons rencontré une difficulté de fuite a travers les contacts, les puces étant élargies pour les mesures en AFM. De nouvelles étapes technologiques sont en cours de test pour résoudre ce problème.

* Premières études en voltamétrie cyclique rapide (100 000 V/s) et en microscopie électrochimique à force atomique, de l’effet de la longueur de chaine sur la réponse de brins d’ADN à tête redox ancrés sur surfaces d’électrodes.
* Approche permettant de supprimer le bruit dans les capteurs de type nanotransistors en exploitant un effet de resonance stochastique (publication Sci.Rep. 2020)
* Application de la théorie de la « full counting statistics of single-electron transport» historiquement développée par la communauté de la physique mesoscopique a l’electrochimie. Les experiences associees (valeur moyenne et bruit) ont été effectues. Une publication est en cours.

Du point de vu expérimental, l’assemblage et l’interrogation électrochimique des systèmes Fc-ADN, ainsi que les contraintes relatives à leur manipulation et leur stockage sont maintenant maitrisées par le LEM. L’effet du paramètre crucial qu’est la longueur du brin d’ADN redox sur la dynamique du transport électronique va donc pouvoir être étudié en détail par voltamétrie cyclique rapide et microscopie AFM-SECM. Les résultats pourront être comparées aux prédictions du logiciel Q-Biol développé en parallèle au LIMMS.
Ces connaissances vont ensuite pouvoir être transposées à la décoration par des chaines Fc-DNA de nanoplots d’or, organisés en réseaux sur surface de silicium, et leur interrogation électrochimique. Le LEM dispose dès à présent de ces surfaces, fabriquées récemment par le LIMMS.

Communications (conférence): I. Madrid et al. Jahn-Teller Distortion in confined DNA (oral), Solid-state devices and Materials conference.

Revues à comité de lecture: Y. Kutovyii et al, Noise suppression beyond the thermal limit with nanotransistor biosensors Sci.Rep. 10, 12678 (2020)

L'objectif premier et principal du projet SIBI est de développer un système de détection "tout électronique permettant le comptage d'événements de transfert d'électrons uniques, un challenge majeur de la nanoélectrochimie. La méthodologie proposée ici repose sur la mesure de la variation de quelques mV induite par le stockage d’un électron individuel par un nanocondensateur d’une capacité de l’ordre de quelques attofarad. Nous avons l'intention de démontrer que cette technologie de comptage d'électrons permet le développement de capteurs bioélectrochimiques à la sensibilité ultime. Nous chercherons en particulier à implémenter cette technologie en une configuration de capteur conformationnel électrochimique à ADN (E-DNA). Une chaîne d'ADN à marqueur redox terminal, utilisée comme brin sonde, sera immobilisée par son extrémité non-marquée à la surface d’un nanoplot d'or de 10 nm de diamètre, fabriqué par lithographie électronique, et aligné sur un nanocondensateur. Pour les premières expériences de preuve de principe, la nanoélectrode d'un microscope électrochimique à force atomique, opéré en mode dit à médiateur-lié (Mt/AFM-SECM), sera utilisée pour contacter électrochimiquement le marqueur redox du brin d’ADN sonde. Les événements séquentiels de charge du nanocondensateur, correspondant au cyclage du marqueur redox, oxydé à la nanoelectrode et réduit au nanoplot, seront détectés à l'aide d'une technologie de pointe, faisant appel à des transistors au silicium sensibles au passage de charges élémentaires. L'observation de ces événements constituera la toute première démonstration du comptage d'électrons individuels en électrochimie. Au-delà de cette prouesse, la mesure de la fréquence des événements de charge permettra d’accéder de manière quantitative à la dynamique conformationnelle de la chaîne d'ADN ancré. Pour ce faire il sera nécessaire de concevoir des simulations numériques avancées pour modéliser la dynamique et le comportement électrochimique de chaînes d'ADN immobilisées. Plus précisément, comme second objectif du projet, nous proposons de reproduire théoriquement le système biomoléculaire complet, à l'aide d'un modèle réaliste de dynamique moléculaire des brins d'ADN. Les équations fondamentales de transport quantique, basées sur la théorie de Marcus, qui inclues la dépendance du couplage électronique et de l'énergie de réorganisation vis-à-vis de la distance molécule/électrode, seront résolues numériquements, afin de calculer la probabilité de transfert électronique toutes les picosecondes. Les résultats théoriques et expérimentaux seront directement comparés, et le code ajusté. Par ailleurs, les progrès récents en apprentissage automatique pour le traitement du signal étant parfaitement adaptés aux signaux à mesurer, nous proposons d’utiliser des réseaux neuronaux récurrents (RNN) pour optimiser l’analyse de traces liées au transfert d’électrons uniques, afin d’analyser une grande quantité de données issues du réseau de capteurs. Outre son intérêt fondamental, notre approche de modélisation permettra de comprendre de manière quantitative le mécanisme de transduction des capteurs E-DNA, compréhension qui fait toujours défaut à ce jour. Comme dernier objectif du projet, les connaissances expérimentales et théoriques acquises seront investies dans le développement d'un nanobiocapteur électrochimique conformationnel à ADN, permettant la détection de molécules d’analytes individuelles, rendu possible par la miniaturisation du dispositif et le comptage d’électrons uniques. Une plate-forme de détection, constituée d'un réseau de nanocondensateurs couplés à des nanoélectrodes et adressables individuellement sera développée. Cette nanopuce sera utilisée pour détecter la protéine EpCAM, un marqueur pronostique du cancer, en utilisant un aptamère à marqueur redox spécifique comme brin ADN sonde. Nous espérons ainsi démontrer la possibilité de détection de molécules uniques pour un dosage d'une pertinence biologique avérée.