De minuscules « laboratoires » portables trient les germes à l’électricité

Quand vous pensez aux champs électriques, vous pensez probablement à électricité – ce qui rend la vie moderne possible en alimentant tout, des appareils électroménagers aux téléphones portables. Les chercheurs ont étudié les principes de l’électricité depuis les années 1600. Benjamin Franklincélèbre pour son expérience sur le cerf-volant, démontra que la foudre était bel et bien électrique.

L’électricité a également permis des avancées majeures en biologie. Une technique appelée électrophorèse permet aux scientifiques d’analyser les molécules de la vie — ADN et les protéines – en les séparant par leur charge électrique. L’électrophorèse n’est pas seulement couramment enseignée en biologie au lycée, mais c’est aussi un cheval de bataille dans de nombreux laboratoires cliniques et de recherche, y compris le mien.

je suis un professeur de génie biomédical qui travaille avec des systèmes électrophorétiques miniaturisés. Ensemble, mes étudiants et moi développons des versions portables de ces appareils qui détectent rapidement les agents pathogènes et aident les chercheurs à lutter contre eux.

Qu’est-ce que l’électrophorèse ?

Des chercheurs ont découvert l’électrophorèse au 19ème siècle en appliquant une tension électrique aux particules d’argile et en observant leur migration à travers une couche de sable. Après de nouveaux progrès au cours du XXe siècle, l’électrophorèse est devenue la norme dans les laboratoires.

Pour comprendre le fonctionnement de l’électrophorèse, il faut d’abord expliquer champs électriques. Il s’agit de forces invisibles que des particules chargées électriquement, comme les protons et les électrons, exercent les unes sur les autres. Une particule ayant une charge électrique positive, par exemple, serait attirée vers une particule ayant une charge négative. La loi de « les contraires s’attirent » s’applique ici. Les molécules peuvent aussi avoir une charge ; que ce soit plus positif ou négatif dépend des types de atomes qui le composent.

En électrophorèse, un champ électrique est généré entre deux électrodes connectées à une alimentation électrique. Une électrode a une charge positive et l’autre une charge négative. Ils sont placés sur les côtés opposés d’un récipient rempli d’eau et d’un peu de sel, qui peut conduire l’électricité.

Lorsque des molécules chargées telles que l’ADN et protéines sont présentes dans l’eau, les électrodes créent entre elles un champ de force qui pousse les particules chargées vers l’électrode de charge opposée. Ce processus est appelé migration électrophorétique.

Les chercheurs aiment l’électrophorèse car elle est rapide et flexible. L’électrophorèse peut aider à analyser différents types de particules, des molécules aux microbes. De plus, l’électrophorèse peut être réalisée avec des matériaux tels que du papier, des gels et des tubes fins.

En 1972, le physicien Stanislav Doukhine et ses collègues ont observé un autre type de migration électrophorétique appelée électrophorèse non linéaire qui pourrait séparer les particules non seulement par leur charge électrique mais aussi par leur taille et leur forme.

Champs électriques et agents pathogènes

Les progrès de l’électrophorèse en ont fait un outil utile pour lutter contre les agents pathogènes. En particulier, le révolution microfluidique a rendu possible la petits laboratoires qui permettent aux chercheurs de détecter rapidement les agents pathogènes.

En 1999, des chercheurs ont découvert que ces minuscules systèmes d’électrophorèse pouvaient également séparer les agents pathogènes intacts par des différences dans leur charge électrique. Ils ont placé un mélange de plusieurs types de bactéries dans un capillaire en verre très fin qui a ensuite été exposé à un champ électrique. Quelques bactéries sont sortis de l’appareil plus rapidement que les autres en raison de leurs charges électriques distinctes, permettant de séparer les microbes par type. La mesure de leurs vitesses de migration a permis aux scientifiques d’identifier chaque espèce de bactérie présente dans l’échantillon grâce à un processus qui a pris moins de 20 minutes.

La microfluidique a encore amélioré ce processus. Les appareils microfluidiques sont suffisamment petits pour tenir dans la paume de votre main. Leur taille miniature leur permet d’effectuer des analyses beaucoup plus rapidement que les équipements de laboratoire conventionnels, car les particules n’ont pas besoin de parcourir une aussi grande distance à travers l’appareil pour être analysées. Cela signifie que les molécules ou les agents pathogènes recherchés par les chercheurs sont plus facilement détectés et moins susceptibles d’être perdus lors de l’analyse.

Par exemple, les échantillons analysés à l’aide de systèmes d’électrophorèse conventionnels devraient traverser des tubes capillaires d’environ 11 à 31 pouces (30 à 80 centimètres) de long. Leur traitement peut prendre de 40 à 50 minutes et ne sont pas portables. En comparaison, les échantillons analysés avec petits systèmes d’électrophorèse migrent à travers des microcanaux qui ne mesurent que 0,4 à 2 pouces (1 à 5 centimètres) de long. Cela se traduit par de petits appareils portables avec des temps d’analyse d’environ deux à trois minutes.

L’électrophorèse non linéaire a permis la création d’appareils plus puissants en permettant aux chercheurs de séparer et de détecter les agents pathogènes selon leur taille et leur forme. Mes collègues de laboratoire et moi avons montré que la combinaison de l’électrophorèse non linéaire avec la microfluidique peut non seulement séparer les types distincts de cellules bactériennes mais aussi cellules bactériennes vivantes et mortes.

De minuscules systèmes d’électrophorèse en médecine

L’électrophorèse microfluidique a le potentiel d’être utile dans toutes les industries. Principalement, ces petits systèmes peuvent remplacer les méthodes d’analyse conventionnelles par des résultats plus rapides, une plus grande commodité et un coût inférieur.

Par exemple, quand tester l’efficacité des antibiotiquesces minuscules appareils pourraient aider les chercheurs à déterminer rapidement si les agents pathogènes sont morts après le traitement. Cela pourrait également aider les médecins à décider quel médicament est le plus approprié pour un patient en distinguant rapidement les bactéries normales des bactéries résistantes aux antibiotiques.

Mon laboratoire travaille également au développement de systèmes de microélectrophorèse pour purifier virus bactériophages qui peut être utilisé pour traiter les infections bactériennes.

Avec des développements ultérieurs, la puissance des champs électriques et de la microfluidique peut accélérer la façon dont les chercheurs détectent et combattent les agents pathogènes.

Cet article édité est republié à partir de La conversation sous licence Creative Commons. Lire le article original.