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  • Graphène et ADN

    Posté le 26 mars 2012

    Au cours des 5 denières années, le graphène a été parmi les domaines d’étude les plus dynamiques en nanoscience et technologie. Ce matériau, qui a de remarquables propriétés mécaniques, électroniques et optiques, est étudié pour une variété d’applications qui vont des emballages plastiques aux transistors de nouvelle génération.

    La pointe d’un crayon papier est constituée de graphite. Lorsque vous tracez une ligne sur du papier, la marque que vous voyez est composée de centaines de couches. Chacune de ces couches a une épaisseur d’un seul atome.

    En 2004, des scientifiques ont trouvé un moyen d’extraire une seule couche de graphite d’un atome d’épaisseur en utilisant essentiellement un morceau de scotch et ont appelé ce nouveau matériau « graphène ». En 2010 ils ont obtenu le prix Nobel de physique pour cette découverte.

    Une nouvelle technique utilisant du graphène pourrait permettre un séquençage ADN ultra-rapide et peu coûteux.

    Récemment, des chercheurs de l’Université du Delaware ont effectué une modélisation informatique pour étudier une nouvelle approche de séquençage ADN ultra-rapide basé sur de minuscules trous appelés nanopores, perçés sur une feuille de graphène.

    Le graphène est une feuille d’atomes de carbone ayant un motif de nid d’abeille. Sa stabilité mécanique rend possible l’utilisation d’un faisceau d’électrons pour sculpter un nanopore sur une feuille de graphène suspendue comme démontré en 2008 par Marija Drndić (Université de Pennsylvanie).

    La technique consiste à faire passer un brin d’ADN à travers un nanopore, petit trou de quelques nanomètres de diamètre qui est perçé dans une feuille de graphène. Ensuite, un courant d’ions s’écoulant verticalement à travers le pore ou un courant électrique s’écoulant transversalement à travers le graphène est utilisé pour détecter la présence des différentes bases d’ADN dans le nanopore.

    Etant donné que le graphène a une épaisseur d’un seul atome, le nanopore au travers duquel on fait passer l’ADN est en contact avec une seule base d’ADN.

    En 2010, 3 équipes expérimentales ont fait une démonstration de détection d’ADN en utilisant des nanopores dans du graphène. Mais le processus était trop rapide pour que les appareils électroniques puissent détecter les bases ADN individuellement.

    Le nouveau concept d’appareil proposé par les chercheurs de l’Université du Delaware utilise des nanorubans de graphène (de fines bandes de graphène qui font moins de 10 nanomètres de large) comprenant un nanopore. Des chimistes, ingénieurs, scientifiques des matériaux et physiciens ont mis au point diverses méthodes au cours des 3 dernières années pour fabriquer des nanorubans ayant un motif en zigzag très spécial sur les bords. Ces nanorubans pourraient permettre un séquençage rapide et peu coûteux (moins de 1000$) grâce aux courants électroniques générés à l’échelle nanométrique qui circulent sur les bords de ces rubans.

    Un séquençage de ce type pourrait inaugurer une nouvelle ère de médecine personalisée selon Branislav Nikolic, professeur de physique et d’astronomie à l’Université du Delaware

    « Nous avons utilisé la connaissance acquise sur plusieurs années de recherche théorique et computationnelle sur le transport électronique dans le graphène pour augmenter des milliers à des millions de fois la magnitude du courant de détection de notre biocapteur, quand on le compare à d’autres appareils ». « Il y a 2 ans, les scientifiques m’auraient dit que notre appareil était impossible à réaliser, mais il y a tellement de gens travaillant sur le graphène que plus rien n’est impossible dorénavant ».

    « A chaque fois que des physiciens pensent que quelque chose est impossible, des scientifiques des matériaux ou des chimistes viennent à la rescousse, et vice versa ».

    Branislav Nikolic explique qu’il a, avec Kamal Saha (chercheur postdoctoral), utilisé du code fait maison pour simuler le fonctionnement du biocapteur nano-électrique en utilisant le supercalculateur Chimera.

    « Ce projet utilise 500 à 1000 processeurs en continu pendant plusieurs mois »

    Maintenant, et à l’aide des simulations, des chercheurs de l’Université de Pennsylvanie dirigés par Marija Drndić vont essayer de fabriquer les biocapteurs dans leur laboratoire.


    Kamal Saha et Branislav Nicolic devant le supercalculateur Chimera

    Branislav Nikolic, Kamal Saha et Marija Drndić ont publié leurs résultats sur Nano Letters, un journal de l’American Chemical Society

    Nikolic organise également un atelier interdisciplinaire sponsorisé par le CECAM (Centre Européen de Calcul Atomique et Moléculaire) qui se tiendra au mois de juin dans la ville de Pise (Italie). Cet atelier réunira quelques uns des plus grands experts en modélisation computationnelle et en investigation expérimentale de nanodispositifs pour les technologies de séquençage d’ADN de 3ème génération.

    Source : Université du Delaware

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