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Des bactéries biolumineuses au service de l'homme

Traces de TNT mises en évidence par des BBIC aspergées sur de l'herbe polluée et éclairée aux UV. Document ORNL.

Illustrations du Pr. Gary S. Sayler, CEB

Détection de la signature optique (II)

L'utilisation de la lumière comme témoin d'activité est une solution avantageuse parce que c'est un signal facile à mesurer. Les capteurs optiques tels que les tubes photomultiplicateurs, les photodiodes ou les caméras CCD sont des dispositifs aujourd'hui courants qui peuvent facilement être intégrés dans des appareils de lecture.

Longtemps ces appareils ont été volumineux mais depuis quelques années, la télésurveillance et l'intégration électronique ont permis de développer des photomultiplicateurs fonctionnant sur batterie et tenant dans la paume d'une main. Aujourd'hui, même des capteurs optiques ont pu être développés sur des circuits intégrés et sont capables de détecter un signal biolumineux émis directement par les bioreporters (voir liste des applications dans le tableau précédent).

Ces BBIC sont constitués de deux composants principaux : des détecteurs photoélectriques qui capturent les signaux biolumineux émis par les bioreporters et des microprocesseurs capables de traiter des signaux biolumineux qui contrôlent et stockent l'information comme expliqué sommairement dans le schéma suivant. 

Architecture d'un BBIC.

Des émetteurs radiofréquences peuvent également être incorporés au dispositif pour transmettre l'information par onde-courte. Le bioreporter et les éléments biosenseurs étant intégrés dans une seule et même unité d'un BBIC, point de vue opérationnel il suffit simplement d'exposer le BBIC à l'échantillon que l'on désire étudier.

La matrice de bioreporters encapsulée dans le BBIC peut également être fixée sur un objet aussi simple qu'une bande de papier-test. De cette façon, on peut mettre au point un indicateur à usage domestique dans le but par exemple de mesurer la qualité de l'eau, comme il existe des test sanguins ou de grossesse.

Un exemple concrêt est l'utilisation des lux pour surveiller la présence de contaminants dans les eaux souterraines.

Un essai a été effectué sur la base aérienne américaine de Columbus, dans le Mississippi dont les eaux ont été souillées avec du naphtalène, du toluène, de l'éthylbenzène et du p-xylène10 simulant un mélange de carburant pour réacteurs.

L'eau polluée a été analysée par des techniques de spectrométrie en phase gazeuse (chromatographie/masse, GC/MS). L'analyse est extrêmement sensible et précise et cette méthode est de loin la meilleure à notre disposition pour détecter les contaminants chimiques dans l'environnement. Toutefois, elle exige également une instrumentation chère et encombrante, du personnel qualifié, l'utilisation de produits chimiques dangereux et suffisamment de temps pour effectuer les mesures. L'alternative consiste à utiliser des bioreporters directement comme sondes. Pseudomonas fluorescens 5RL par exemple est un bioreporter de naphtalène et Putida TVA8 est un bioreporter pseudomonas pour le toluène 11,12. Les analyses sont effectuées sur site avec des photomultiplicateurs portables reliés à des ordinateurs portatifs. Cette solution permet d'obtenir les résultats en quelques heures et coûte dix fois moins chère qu'une analyse GC/MS.

Les défis

BBIC déposés sur des CMOS. Pose de 45 minutes. Document CEB

Au-delà des applications, le défi consiste actuellement à trouver une méthode pour immobiliser les microbes de telle manière qu'ils survivent aussi longtemps que possible à côté du microprocesseur.

Les chercheurs examinent diverses substances qui maintiendraient les microbes en place. La transparence optique du dispositif est critique car dès que les microbes "s'allument", il est impératif que le microprocesseur percoive le signal sans la moindre interprétation. Le gel ou la substance de fixation doit être poreuse de sorte que n'importe quelle contamination puisse pénétrer le BBIC et atteindre les microbes. Le BBIC doit contenir des aliments pour que les microbes puissent se nourrir et survivre. Il faut également leur donner suffisamment d'espace mais pas de trop pour éviter que la colonie ne grandisse démesurément. Le cas échéant les mesures seraient biaisées car s'il y a trop de cellules dans l'unité, la question sera de savoir quelle quantité de lumière correspond à quelle concentration de contaminant.

Projets et applications futures

Sayler à l'espoir de développer des gels grâce auxquels les microbes pourraient  maintenir leurs fonctions durant plusieurs mois. Les sondes seraient probablement fixées aux parois des vaisseau spatiaux, contrôlant l'atmosphère de l'habitacle. Elles se surveilleraient mutuellement aussi pour s'assurer que les microbes sont encore viables. Il est en fait possible d'exciter électriquement les cellules pour qu'elles émettent de la lumière. Ainsi on pourrait faire clignoter le système de temps en temps de manière à vérifier que les organismes sont toujours physiologiquement en activité. Ou après six mois par exemple, le BBIC pourrait envoyer un signal indiquant qu'il est temps de remplacer la sonde bactérienne. Un astronaute irait chercher un paquet lyophilisé d'une nouvelle souche de microbes, lui ajouterait un peu d'humidité et la déposerait dans la sonde. Ensuite le système serait autonome jusqu'au prochain remplacement. C'est le niveau d'entretien minimum que l'on demanderait aux astronautes.

Développés pour des applications domestiques, ces BBICs pourraient être achetées en pharmacie et fixées sur les murs de la cuisine, de la salle-de-bain, dans les chambres ou même le garage. Elles pourraient indiquer la présence de polluant libéré par la peinture, les tapis ou même les fuites de gaz ou tout excès de fumée toxique.

Des BBICs plus complexes pourraient également aider les agents de sécurité à surveiller le bioterrorisme ou servir d'outil de diagnostique pour les médecins. Prenons un exemple : Sayler envisage d'incorporer des BBIC dans les programmes de traitement des diabétiques. Un BBIC implantable équipé d'un émetteur radio miniaturisé installé sur un microprocesseur pourrait surveiller le niveau de glucose dans le sang et demander à un système distant une injection d'insuline. De tels dispositifs pourraient également examiner les tissus corporels à la recherche de certaines protéines signalant la présence de tumeurs, en d'autres termes il s'agirait de systèmes de détection précoce du cancer.

Trois chercheurs travaillant sur les BBIC. De gauche à droite, Gary Sayler du CEB, Mike Ramsey et Mike Simpson de l'ORNL.

Les avantages

Les BBIC sont des unités étonnement résistantes. Les microbes prospérant dans un large éventail d'environnements, il est possible de concevoir des BBIC capables de survivre dans des environnements extrêmes ou fortements souillés comme des mélanges d'hydrocarbures.

La technologie du bioreporter fournit une méthode robuste, rentable, quantitative permettant de détecter rapidement et de manière sélective des agents chimiques et biologiques.

Développés à l'origine pour l'analyse fondamentale des facteurs affectant l'expression des gènes, au fil des recherches les bioreporters ont été transformés au point de servir des champs de recherche aussi divers que le diagnostic médical, l'agriculture, la santé, le contrôle de processus et le calcul biomicroélectronique. 

Leur polyvalence vient du fait qu'il existe un grand nombre de gènes reporters capables d'émettre différents signaux. Par génie génétique ils peuvent également être incorporés dans des bactéries, des levures, des plantes et des cellules de mammifères, fournissant de ce fait des fonctionnalités à un large éventail de vecteurs.

Leur attrait vient du fait que les BBIC peuvent souvent être appliqués en temps réel sur des tests de lignées biologiques ou sur des systèmes de cellules vivantes, fournissant de cet fait une perspective unique et véritablement révolutionnaire des interactions physiologiques des microbes et des cellules. 

Kim Young de l'ORNL examinant un BBIC.

En même temps que l'on développe de nouveaux détecteurs BBIC, les bioreporters représentent de nouveaux outils de surveillance non envahissants, particulièrement appréciés des animaux et des hommes. 

La surveillance d'un dispositif lumineux exige également moins d'attention que les méthodes conventionnelles, ce qui réduit également le coût de l'analyse.

En conséquence, l'étude des maladies infectieuses, la progression des tumeurs et des métastases, la thérapie génique, le développement des mammifères ainsi que beaucoup d'autres secteurs dans lesquels des animaux sont employés comme cobayes in vivo peuvent être considérablement allégés et les procédures simplifiées et accélérées grâce aux BBIC.

Les mêmes avantages peuvent s'appliquer à la sûreté des contrôles de l'environnement et de la nourriture, dans lesquels la télésurveillance épaulée par des BBIC peut aider les professionnels à cerner les zones de risque biologique et les agents pathogènes.

Les progrès en génie génétique et dans le domaine de la miniaturisation permettront certainement à l'avenir d'élaborer des bioreporters et des systèmes optiques encore plus miniaturisés capables d'appréhender une foule d'autres applications. Notre culture biologique est en pleine croissante[1]...

Pour plus d'informations

A lab on a chip, ORNL

Center for Environmental Biotechnology (CEB)

BioMicroElectronics and Nanotechnologies Research Area, CEB

Bioengineering (ASU)

Bioreporter Bacteria For The Detection Of Unexploded Ordnance (TNT), ORNL

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[1] A propos de diagnostic médical, rappelons que les chiens ont des facultés olfactives nettement plus performantes que l’odorat humain. Nous savons tous qu'ils sont utilisés pour débusquer la drogue ou les personnes ensevelies après un sinistre. Le chien présente une surface olfactive nasale dix fois supérieure à celle de l'homme (200 cm carrés contre 20 cm carrés) comprenant 200 millions de cellules olfactives contre 5 millions seulement chez l'homme. Le chien est capable d’identifier 1 à 2 parties par trillion, un niveau de sensibilité à faire envier les laboratoires de recherche. Aux Etats-Unis par exemple, à l'image des chiens d'aveugles, on dresse des chiens d’alerte pour prévenir les malades quelques minutes avant qu’ils n’aient une crise d’épilepsie ou lorsque les diabétiques vont manquer d’insuline. Les scientifiques les utilisent également pour diagnostiquer les cancers de la prostate et d’autres maladies marquées par des effluves chimiques, des phéromones ou des comportements imperceptibles par l’homme et de manière beaucoup plus efficace que les sondes électroniques. Plus que jamais le chien est le meilleur ami de l'homme. Allié aux BBIC, nous sommes entre de bonnes mains.


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