ARCHIVÉ - Des puces utilisées dans les systèmes de télécommunication optiques alimenteront la recherche biomédicale
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Le 05 février 2010 — Ottawa (Ontario)
Les chercheurs du CNRC adaptent les puces de silicium utilisées dans les réseaux de télécommunications optiques modernes pour leur attribuer un nouveau rôle : celui de biocapteurs moléculaires assez sensibles pour dépister les agents pathogènes et repérer les nouveaux médicaments prometteurs.
Le CNRC s'attend à ce que les capteurs à puce de silicium servent notamment à tester les interactions anticorps-antigènes, à dépister les marqueurs biologiques précurseurs du cancer ou apparaissant à la suite d'une crise cardiaque. Ils peuvent aussi servir à détecter les fragments d'ADN qui serviront à identifier, par exemple, les super microbes résistant aux antibiotiques des hôpitaux ou les bactéries responsables des intoxications alimentaires.
Siegfried Janz dirige l’équipe du CNRC qui transforme les puces de silicium pour qu’elles puissent être utilisées dans les biocapteurs. De tels capteurs accéléreraient l’analyse des molécules pour la mise au point de nouveaux médicaments et le dépistage de la maladie.
Les capteurs pourraient aussi aider les chercheurs de l'industrie pharmaceutique à créer des médicaments moins coûteux, et ce, plus rapidement. Actuellement, les chercheurs doivent passer au crible un nombre incroyable de molécules aux vertus potentiellement thérapeutiques en observant la performance de chacune dans des centaines – voire des milliers – d'interactions simultanées afin d'identifier les plus prometteuses. De meilleurs capteurs accéléreraient considérablement cette démarche.
Les chercheurs de l'Institut des sciences des microstructures du CNRC (ISM-CNRC), à Ottawa, participent au projet avec d'autres experts du CNRC dans le cadre de l'Initiative en génomique et en santé du CNRC.
L'ISM-CNRC poursuit des recherches sur la photonique au silicium dans les télécommunications depuis environ 15 ans. Selon M. Siegfried Janz, chef de l'équipe qui développe les capteurs, l'Institut a bifurqué vers de nouveaux domaines de recherche en 2000, quand la technologie des télécommunications optiques approchait de sa maturité.
Au départ, la photonique au silicium avait été conçue pour les commutateurs et les routeurs optiques qui acheminent les dizaines ou les centaines de faisceaux optiques de données dans les réseaux de télécommunication et les réseaux informatiques modernes. Ces puces optoélectroniques recourent à des fils photoniques – des filaments de silicium dont la largeur est inférieure à celle d'une onde lumineuse – comme guides d'ondes pour diriger et manipuler les faisceaux de données qui traversent la puce. Les chercheurs du CNRC ont compris qu'ils pourraient adapter les fils photoniques et en faire des sondes suffisamment sensibles pour mesurer les propriétés moléculaires des mélanges biochimiques. Quand on combine des capteurs à fil photonique en réseaux sur une puce, il est possible de suivre chacun de ces capteurs grâce aux techniques très bien rodées des réseaux de télécommunication. L'équipe du CNRC a testé sa première puce à biocapteur fonctionnelle, réunissant six capteurs seulement, au milieu de 2009.
« Le point essentiel est que nous essayons de détecter les molécules d'après la manière dont elles réagissent à la lumière qui traverse les guides d'ondes, explique M. Janz. L'objectif est de concentrer autant de lumière que possible dans une couche extrêmement fine à la surface du guide d'ondes. Or, les guides d'onde en silicium concentrent la lumière exactement en surface. »
Les capteurs moléculaires plus anciens, qui concentrent une mince couche de lumière, sont déjà la norme dans bon nombre de laboratoires universitaires et pharmaceutiques, mais ces dispositifs ont la taille d'un petit réfrigérateur d'appartement et seuls quelques fabricants spécialisés en produisent.
Un capteur sur une puce de silicium. Quand le capteur entre en contact avec le liquide échantillonné, les molécules du liquide se lient aux fils spiralés de silicium (le guide d’ondes). La vitesse de la lumière qui traverse le guide d’ondes s’en trouve modifiée. C’est cette variation qui, une fois mesurée, permet d’identifier les molécules présentes dans le liquide.
Les réseaux PWEF (capteurs à fil photonique à champ évanescent) sont plus sensibles et moins coûteux. La plupart des fabricants de puces de silicium existants peuvent les produire à bas prix et les ordinateurs de bureau ou les lecteurs portatifs qui les utilisent peuvent être assemblés à partir des pièces que les fabricants d'appareils de télécommunication gardent en stock. « Chaque puce ne coûte que quelques dollars », précise M. Janz.
Chaque capteur du réseau mesure à peine 100 microns. Dans sa version commerciale, produite à grande échelle, une puce plus petite que l'ongle d'un bébé pourrait contenir une centaine de capteurs identiques ou davantage. Les biologistes pourraient effectuer des essais multiples en « badigeonnant » diverses molécules sur chaque capteur, puis en observant ce qui en résulte.
Une équipe de l'Institut des sciences biologiques du CNRC travaille à l'automatisation de la production des réseaux de biocapteurs. Les chercheurs ont programmé un appareil de marquage par points robotisé – rappelant une imprimante à jet d'encre miniature – pour qu'il pose une minuscule gouttelette de divers mélanges biochimiques sur différents capteurs afin d'effectuer simultanément de nombreux essais et confirmer la présence d'une molécule donnée. Collectivement, ces capteurs indiqueraient aux chercheurs si le mélange contient des molécules particulières d'ADN, de bactéries ou d'anticorps, et ce, avec un grand degré de certitude.
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