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Nouveau capteur pour le SRAS-CoV-2 et d'autres virus basé sur la nanotechnologie GSI

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La détection facile et rapide des virus est cruciale en cas de pandémie. Sur la base des membranes à nanopore unique du GSI, une équipe internationale interdisciplinaire de chercheurs a mis au point une méthode de test qui détecte le SARS-CoV-2 dans la salive, sans prétraitement de l'échantillon, avec la même sensibilité qu'un test qPCR, et en seulement 2 heures. De plus, le capteur peut distinguer les coronavirus infectieux des non-infectieux - une innovation cruciale.

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En reliant différentes technologies, une équipe interdisciplinaire de scientifiques du département de recherche sur les matériaux du GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, du Conseil national de la recherche scientifique et technique (CONICET) en Argentine et de l'université de l'Illinois aux États-Unis, a mis au point un capteur nanopore très sensible qui détecte spécifiquement les virus SRAS-CoV-2 et les adénovirus humains dans divers échantillons, notamment la salive, le sérum ou les échantillons environnementaux tels que les eaux usées. Le capteur combine deux composants clés : un nanocanal sensible et des molécules d'ADN hautement spécifiques fixées à la surface du canal. Selon les groupes de recherche, la méthode est aussi précise que les tests PCR, mais plus simple et plus rapide, fournissant des résultats en moins de deux heures. Les résultats sont publiés dans la prestigieuse revue Science Advances.

La technologie pour la fabrication de membranes avec des nanopores uniques a été développée au GSI pendant de nombreuses années. De minces films polymères sont irradiés par un projectile individuel d'ions lourds à haute énergie (par exemple un ion d'or de 1 GeV) à l'accélérateur linéaire UNILAC. Lorsque l'ion traverse le film, il crée une trace de dommage nanoscopique qui est convertie en un nanocanal ouvert par gravure chimique. Le diamètre précis et la forme du canal sont ajustés par les paramètres de gravure. Pour ce travail, des nanopores asymétriques avec une petite ouverture de moins de 50 nanomètres ont été fabriqués. La petite taille et la géométrie spécifique assurent un niveau de sensibilité particulièrement élevé pour les processus de transport à travers le canal.

La sélectivité du capteur est assurée par un processus de sélection in vitro de fragments d'ADN, appelés aptamères, qui sont incorporés dans le nanopore. Ces aptamères sélectifs sont non seulement capables de reconnaître le virus spécifique mais aussi de différencier l'état d'infectivité du virus. Les aptamères utilisés ici ont été développés par Ana Sol Peinetti lors de son travail de chercheuse postdoctorale à l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign. Connaissant bien la technologie des nanopores du GSI grâce à son séjour précédent dans le groupe d'Omar Azzaroni, à l'Institut de recherche théorique et appliquée en physicochimie (INIFTA, CONICET-UNLP) (Argentine), elle a réussi à combiner les deux technologies.

Le fait que cette méthode puisse distinguer les virus infectieux des virus non infectieux constitue une innovation essentielle, selon les scientifiques. Les tests PCR bien connus détectent le matériel génétique viral mais ne permettent pas de distinguer si un échantillon est infectieux ou si une personne est contagieuse. Les seuls tests qui peuvent actuellement détecter les virus infectieux sont les tests sur plaque. Ils nécessitent une préparation spéciale et des jours d'incubation avant de fournir des résultats, alors que le nouveau capteur aptamère-nanopore donne des résultats en 30 minutes à deux heures et ne nécessite aucun prétraitement de l'échantillon.

La lecture de l'état d'infectivité d'un virus permet non seulement de savoir si les patients sont contagieux ou non, mais aussi de savoir si certaines stratégies d'inactivation fonctionnent réellement. "Avec Omar Azzaroni et Ana Sol Peinetti (actuellement chef de groupe à l'Institut de chimie, de physique des matériaux, d'environnement et d'énergie, à Buenos Aires), nous collaborons à un nouveau projet dans le cadre duquel l'efficacité de divers protocoles d'inactivation des virus sera testée à l'aide de ce nouveau capteur", déclare Maria Eugenia Toimil-Molares, chef du groupe de nanotechnologie des traces d'ions au GSI.

La technologie des nanocapteurs a également un grand potentiel au-delà de la pandémie de Corona. "Pour détecter d'autres virus, il faut chercher le pool de molécules qui servent d'aptamères ; de nouvelles molécules pour de nouveaux virus. Nous avons même l'intention d'obtenir des aptamères capables de discerner les différents variants du SRAS-Cov-2", explique Peinetti. Dans l'article, les auteurs démontrent également la détection d'adénovirus humains infectieux, responsables de maladies respiratoires d'origine hydrique dans le monde entier.

Au-delà de la détection des virus, la technologie des nanopores du GSI est à la base d'autres options de capteurs. De nombreux groupes dans le monde développent des stratégies de fonctionnalisation spécifiques pour conférer des fonctionnalités sélectives aux capteurs à nanopores. Les nanopores des membranes ioniques sont très polyvalents car ils peuvent être modifiés pour répondre à de nombreux changements externes différents, tels que la température, le pH, la lumière, la tension ou la présence d'espèces ioniques, de molécules ou de médicaments spécifiques. Ces dernières années, plusieurs plateformes de nanocapteurs très sensibles ont été développées en collaboration avec les collègues d'INIFTA. "Notre vision est d'intégrer la membrane de nanopore fonctionnalisée dans un dispositif portable pour une détection et un diagnostic rapides et efficaces des virus", explique Christina Trautmann, responsable du département de recherche sur les matériaux du GSI.