Simulations des interactions ADN - nanotube de carbone pour la conception de biocapteurs

 

Sébastien Côté

Cégep de Saint-Jérôme

 

Domaine : nature et interactions de la matière

Programme de recherche pour les chercheurs de collège

Concours 2019-2020

Le corps humain est composé de cellules dont le fonctionnement est assuré par les protéines qui y jouent le rôle de véritables nanomachines de par l'ADN qui les encodent. Un dérèglement de la fonction normale d'une protéine ou d'un segment d'ADN peut avoir de graves conséquences sur notre santé. C'est pourquoi il est crucial d'élucider la cinétique des changements structuraux qui caractérisent leur fonction, ce qui n'est cependant pas aisé. Ces biopolymères sont, en effet, extrêmement petits, de l'ordre de quelques nanomètres, et leur cinétique se déroule rapidement, de quelques nanosecondes à des millisecondes.

Nous travaillons sur un dispositif novateur – le nanobiocapteur électronique à molécule unique – qui pourrait changer la donne dans ce domaine. Sa pièce maîtresse est un circuit électrique ultraminiaturisé auquel est greffé un seul biopolymère, soit une protéine ou un brin d'ADN. Lorsque la structure du biopolymère change, le courant électrique qui parcourt le circuit change aussi, permettant ainsi de mesurer directement la cinétique du biopolymère en temps réel. Ce dispositif possède donc une bonne résolution temporelle sur un intervalle de temps étendu et ne requiert aucun marqueur moléculaire, contrairement à d'autres méthodes établies comme la fluorescence, qui pourrait perturber la cinétique du biopolymère.

Afin de poursuivre le développement de ce biocapteur prometteur, nous voulons comprendre les interactions qui s'y déroulent à l'échelle nanométrique, où beaucoup de questions demeurent quant à ce qui se passe vraiment : pourquoi est-ce que les changements structurels du biopolymère causent une variation du courant électrique dans le dispositif ? Certaines interactions nuisent-elles à la cinétique normale du biopolymère ? Puisque le point de vue de l'expérience à cette échelle reste limité, nous recourrons à une approche complémentaire.

Le projet vise donc à appuyer les efforts expérimentaux pour identifier et mettre en application des stratégies afin d'améliorer la sensibilité du biocapteur. Pour ce faire, nous dévoilerons les interactions qui s'y déroulent à l'échelle nanométrique grâce à des simulations par superordinateur reposant sur des modèles précis et sur des méthodes d'échantillonnage de pointe, offrant ainsi un point de vue inédit par rapport à l'expérience. Par la suite, nos résultats de simulation seront transférés immédiatement en laboratoire et guideront le développement du biocapteur. En outre, conjointement avec nos collaborateurs expérimentateurs, nous identifierons et testerons des modifications à apporter au biocapteur afin de réduire les interactions qui perturbent la cinétique du biopolymère, tout en conservant celles qui sont nécessaires à son fonctionnement.

Les retombées potentielles de notre recherche sont d'une grande portée, puisque ce biocapteur s'intègre à plusieurs domaines. En recherche biologique, il permettra l'avancement des connaissances sur la structure et la fonction des protéines et de l'ADN. En recherche pharmacologique, il pourra servir à mesurer l'effet de molécules thérapeutiques sur la cinétique de ces biopolymères. En recherche clinique, il offrira une plateforme pour l'élaboration de biocapteurs plus complexes servant à la détection de biomarqueurs présents lors de maladies, comme le cancer. Notre caractérisation du biocapteur consolidera donc la compréhension de son fonctionnement, ce qui est nécessaire à son développement et déploiement futurs.