Un outil révolutionnaire ? BIOCAPTEURS Un outil révolutionnaire ?

BIOCAPTEUR Définition: Un biocapteur est un outil analytique qui transforme une information chimique en un signal electromagnétqiue utilisable Un biocapteur est formé de deux parties : un biorécepteur (élément de reconnaissance) et un transducteur

Biocapteur : Définition (IUPAC) D.R. Thévenot, K. Toth, R.A. Durst & G.S. Wilson (1999) Electrochemical biosensors: recommended definitions and classification. Pure and Applied Chemistry, 71 (12), 2333-2348 Self-contained, integrated device Nomenclature - Biological recognition element = receptor - Physico-chemical transducer = transducer Ability to be repeatibly calibrated - Either continuous operation - Or rapidly and reproducibly regenerated

BIOCAPTEUR : éléments 1 composé à analyser 2 Récepteur biologique 5 Processeur 4 Transduction 3 Méthode d’immobilisation Type de surface

Ne sont PAS des biocapteurs : Capteurs chimiques ou physique utilisés pour le contrôle des processus biologiques (par ex. pH in vivo ou mesure de la pression artérielle) Systèmes analytiques qui utilisent d’autres appareils comme la chromatographie liquide haute pression (HPLC) ou l’analyse en injection de flux (FIA)

HISTOIRE DES BIOCAPTEURS - Concept - Lyons and Clark (1956) - Urea Sensor - Guibault & Montalvo (1969) - Glucose Analyser -- Yellow Springs Instr. Co. (1973) - Enzyme Thermistor – Mosbach (1974) - Microbial Electrodes – Divis (1975) - Fibre-Optic Oxygen Sensor – Lubbers & Opitz (1975) - Biostator – Clemens et al. (1976) - Immnosensor – Liedberg et al. (1982) - Enzyme Electrode – MediSense Inc. (1987) - BIAcore – Pharmacia, Sweden (1990) - NanoSensor – Vo-Dinh (2000)

Mining bird (Carbon monoxide)

Glucose Pregnancy test Anthrax

BIOCAPTEUR Chimie Souhaits du marché Biologie Electronique Physique -immobilisation -membranes -polymers -matériaux d’électrode -biorécepteurs synthétiques Souhaits du marché -portable -microinstrumentation Biologie -bioreconnaissance -protéine modifiée -recepteur -DNA BIOCAPTEUR Electronique -optoelectronique -silicium -analyse données -contrôle Physique -optique -semiconducteur Instrumentation -portable -instrumentation

LES RECEPTEURS BIOLOGIQUES BIORECEPTOR Récepteur biocatalytique - enzyme (mono or multi enzyme) - cellules entières (bacterie, champignon, levure,cellule eukaryote) - organites (mitochondrie, membrane cellulaire) - tissu (plant or animal tissue slice) Récepteur d’affinité - reaction anticorps-antigène - fragment d’ADN - tissu animal ou végétal Membranes biomimétiques

1. Enzymes Catalysent les réactions : Amplification du signal Enzymes REDOX s (reductases, oxidases, oxydo-réductases). Electrons produits/consommés. Transducteur ampéromètrique. Enzymes hydrolytiques (proteases, lipases, esterases). Protons produits/consommés. Transducteurs potentiomètrique ou conductimètrique. Réactions enzymatiques couplées : avec la peroxidase, la luciferase donne une réaction colorée ou emet des photons photons. Transducteurs optiques.

2. Récepteur Protéique Les récepteurs protéiques sont localisés à la surface des cellules ou inclus dans les membranes. Ils sont souvent utilisés dans les membranes intactes. Interfaçage biologie cellulaire avec la micro-electronique: cellule nerveuse sur “chip”

Nerve cell receptor: acetyl choline receptor protein When acetylcholine is released at the junction of nerve cells…. It binds to the receptor protein in the cell membrane nerve cell responds by changing its membrane potential: the nerve cell signals

3. Anticorps et antigènes Très sélectifs et interactions très fortes Désavantage: pas d’effet catalytique , nécessité de marquage (souvent fluorescent) de l’anticorps ou de l’antigène pour des transducteurs optiques Transducteur piezo electric : modification de la fréquence de vibration du quartz lors de la réaction antigène -anticorps sites de fixation de l’antigène Chaîne légère lourde

4. ADN : acide déoxyribonucléique Biocapteurs pour le diagnostic basés sur l’ADN et L’ARN dans le format chip utilisé pour la détection des modifications génétiques ou expression des protéines L’ADN et l’ ARN peuvent être synthesisés au laboratoire. L’hybridation peut être controlée facilement à l’aide de la température L’hybridation peut être analysée optiquement.

LIAISONS HYDROGENES

5. Les membranes à empreinte moléculaire Monomères Fonctionalisés Agent réticulant + + Complexation Polymérisation Extraction Analyse Matrice

LES TRANSDUCTEURS Electrochimique potentiométrique, FET, ampérométrique, conductimètrique, impédimètrique Optique UV/visible absorption, fluorescence, Bioluminescence, SPR Thermique Cristal piézoélectrique Systèmes micromécaniques Transducteurs : Cantilever

1. Tranducteurs électrochimiques Potentiométrique: Mesure du potentiel à courant nul. La valeur du potential est reliée à la concentration en ion (échelle logarihmique) Utilisé principalement pour quantifier des inorganiques incluant H+. Dans les biocapteurs concernent les réactions enzymatiques qui induisent un changement de pH : penicillinase, urease, esterase. Nécessite une électrode de référence(H, AgCl) V Electrode de travail Echantillon Pont salin Enzyme souvent immobilisée à la surface de l’électrode Electrode de référence

1. Tranducteurs électrochimiques Ampérométrique: Un potentiel est appliqué entre une électrode de référence et une électrode de travail Un potentiel est mesuré en continu dans la cellule Quand le potentiel d’oxydation d’un composé est atteint, il est oxydé et produit des électrons qui servent à mesurer un courant Le courant est proportionnel à la concentration du composé oxydé Les principales réactions concernent le enzymes REDOX . Glucose oxidase, cholesterol oxidase, etc.

Working electrode with immobilised enzyme (or mediator) Contact Conductive Carbon Track Reference electrode (Ag/AgCl2) Medisense glucose biosensor

1. Tranducteurs électrochimiques Conductimétrique: Mesure de la résistance/conductance d’une solution Utile quand des molécules chargées sont produites au cours d’une réaction enzymatique (amidase, estérase, kinase). Exemple: détection de l’urée avec une uréase : Urée + 2H2O 2NH4+ + HCO3- uréase

(Dés)Avantages des transducteurs électrochimiques Faciles à utiliser Interface directe avec le potentiostat Possibilité de miniaturiser (temps de réponse plus court) Désavantages: Sélectivité faible, souvent il est nécessaire d’employer des médiateurs Ne peut fonctionner qu’avec des réctions biologiques avec transfert d’électronique

2. Transducteurs optiques UV/visible absorption Emission de Fluorescence (et phosphorescence) Bio-luminescence Chimi-luminescence Internal Reflection Spectroscopy Light scattering methods Résonance des Plasmons de Surface (SPR) Devices: photomultipliers (convert photons to current), spectrophotomers, optic fibres, waveguides

Surface Plasmon Resonance (SPR)

(Dés)Avantages des transducteurs optiques Facile à utiliser Peut répondre simultanément à plusieurs réactants Très précis, spécialement quand plusieurs longueurs d’ondes peuvent être utilisées Possibillité d’utiliser des fibres optiques pour un transport efficace des photons Très grande sensibilité (bio-luminiscence, SPR)) Désavantages: Dépend de la possibilité des réctifs Domaine dynamique restreint (loi de Beer/Lambert) Difficile à miniaturiser Réponse peut être lente

3. Tranducteurs thermiques L’hydrolyse ou la synthèse de liaisons chimiques induisent des changements d’enthalpie mesurables. Typiquement des modifications de température de l’ordre de 10-3 K peuvent être détectées La réaction à étudier peut être couplée à une réaction qui produit plus de chaleur (par ex. glucose oxidase couplée à la catalase) (Dés)Avantages des tranducteurs thermiques Avantages Peut être utilisée pour de nombreuses réactions Désavantages Non-selective Difficile à miniaturiser

crystal piézo electrique 4. Tranducteurs piezo-electrique Y Y Y anticorps La fréquence d’oscillation (f) du cristal dépend de la masse (m) du cristal et de tout matériau adsorbé sur sa surface (A). La fréqence d’oscillation décroît en fonction de la masse déposée selon l’équation de Sauerbrey: Δf = -2.3 x 106 f2Δm/A crystal piézo electrique antigène Y Y Y Matériaux piézo electrique : Quartz (SiO2 crystals), céramiques, polyméres organiques.

(Dés)Avantages des transducteurs piézo-électriques Très sensibles : peuvent détecter environ un picogram . Détection des antigènes en phase gaz aussi bien qu’en phase liquide. Portable, Les tests immunologiques peuvent être réalisés partout. Temps de réponse rapide. Pas besoin de marquer les composés (Tags). Désavantages: Adsorption non spécifique sur la surface peut fausser les résultats

5. Détection par cantilever L’AFM ou Atomic Force Microscope est à l’origine des cantilevers. Déflection des cantilevers dépends de la force appliquée. Force

Biocapteur à cantilever : ADN Chaque cantilever est fonctionalisé sur une face avec un oligonucléotide différent Le signal de déflection différentielle est ajusté à la valeur zéro. Après injection du premier oligonucléotide complémentaire (vert), l’hybridation a lieu (rouge), provoquant l’augmentation du signal différentiel