Les protéines assurent la majorité des fonctions dans le corps humain. Pourtant, leur analyse, essentielle pour comprendre les maladies, mettre au point de nouveaux traitements et découvrir de nouveaux biomarqueurs, reste un défi. Grâce à une technologie appelée «détection par nanopore», une équipe de l’Université de Genève (UNIGE) a développé une méthode rapide et fiable permettant d’identifier les protéines, molécule par molécule. Publiés dans le Journal of the American Chemical Society, ces résultats ouvrent la voie à des diagnostics plus rapides.
La détection par nanopore repose sur un principe étonnamment simple. Elle fait appel à un minuscule trou de quelques nanomètres de diamètre, inséré dans une membrane. Lorsqu’un objet, ici une protéine, traverse ce pore, il perturbe brièvement le courant électrique qui le traverse. Chaque objet génère une variation caractéristique, mais complexe, de ce courant, une sorte d’«empreinte moléculaire» électrique. En analysant ces signaux, il est possible de distinguer différents objets, même très semblables.
Le groupe de Chan Cao, professeure assistante au Département de chimie analytique et inorganique de la Section de chimie et biochimie de la Faculté des sciences de l’UNIGE, a montré que cette biotechnologie peut être utile dans de nombreux domaines, notamment pour le stockage de données. Des informations numériques peuvent en effet être encodées dans une longue molécule synthétique, puis décodées en la faisant passer à travers un nanopore.
«La technologie des nanopores est une technique de détection à molécule unique. Elle est donc particulièrement adaptée pour la détection de molécules à très faible concentration. Pour l’appliquer aux protéines, un défi majeur consistait à trouver un moyen de faire passer ces protéines de manière fiable à travers le nanopore. Par nature, les protéines possèdent des charges électriques complexes et ne peuvent pas être contrôlées de manière constante uniquement par des forces électrophorétiques, c’est‑à‑dire des forces exercées par un champ électrique sur des molécules chargées», explique Chan Cao, qui a dirigé cette étude. Pour relever ce défi, l’équipe de recherche a exploité un phénomène appelé «flux électro-osmotique», un flux de liquide à l’intérieur du nanopore qui entraîne les protéines à travers celui-ci, quelle que soit leur charge.
Combiner nanopores et intelligence artificielle
Lorsque des protéines sont très proches sur la plan structural, les signaux électriques générés lors de leur passage dans le nanopore peuvent être difficiles à distinguer de manière fiable. Pour interpréter ces signaux, les scientifiques ont eu recours à l’intelligence artificielle. Chaque signal a été décomposé en de nombreuses caractéristiques mesurables (durée, variations du courant dans le temps, etc.), puis intégrées dans un algorithme capable d’apprendre à associer ces motifs à des protéines spécifiques.
En s’entraînant sur des échantillons connus, le système peut ensuite reconnaître des protéines inconnues à partir de leur «empreinte», même lorsque les différences sont très subtiles. Cette avancée constitue une étape majeure dans l’analyse des protéines et pourrait permettre leur identification sans marquage, à l’échelle d’une seule molécule.
«Nous travaillons actuellement à relier de manière rationnelle les courants électriques mesurés à la séquence des protéines. Cela pourrait permettre, à terme, non seulement de reconnaître des protéines déjà mesurées, mais aussi d’analyser directement de nouvelles protéines inconnues», conclut Verena Rukes, doctorante et première autrice de l’étude.