PUCES À ADN ET LABORATOIRES SUR PUCE

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Les puces à ADN ou biopuces

Depuis les années 1980, un des buts des biologistes est de connaître la séquence intégrale du génome de plusieurs espèces animales et végétales. Cette tâche nécessite la manipulation d'un nombre très important d'entités biologiques, entre autres des clones de bactéries ou de levures à partir desquels on extrait des fragments d'ADN ou d'ARN messager (qui reflètent l'activité des gènes). Progressivement, un grand nombre de manipulations ont été transférées à des robots, et il est devenu courant de déposer 20 000 préparations différentes sur des membranes de Nylon de 20 centimètres de côté. La puce à ADN (DNA chip ou biochip en anglais) résulte de l'évolution de ce format vers une miniaturisation plus poussée, qui atteint une densité de 250 000 unités réactionnelles par centimètre carré. Son concept a été proposé dès la fin des années 1980 pour réaliser, entre autres, le séquençage de l'ADN. Cependant, durant la décennie de 1990, les programmes de séquençage se sont accélérés indépendamment de cette technologie et la connaissance exhaustive de plusieurs génomes a fait apparaître un nouvel enjeu : la description des fonctions des très nombreux gènes nouvellement découverts. Un des moyens privilégiés pour atteindre ce but est l'étude du transcriptome (ensemble des molécules d'ARN messager d'une cellule) qui a permis aux puces à ADN de prendre un avantage décisif sur les anciennes méthodes d'analyse.

Principe des biopuces

Les puces à ADN exploitent une propriété fondamentale de l'ADN qui est d'être constitué de deux brins complémentaires capables de s'apparier de façon spécifique et stable. Ainsi, un fragment d'ADN simple brin ou d'ARN messager est capable de reconnaître son brin complémentaire parmi des milliers d'autres : c'est le phénomène d'hybridation. Cette propriété permet d'utiliser des fragments d'ADN comme sondes pour détecter une cible dans un mélange complexe de molécules d'ADN ou d'ARN messager.

Les puces à ADN sont constituées d'un ensemble de structures élémentaires, appelées unités d'hybridation, disposées en réseau et espacées de quelques dizaines à quelques centaines de micromètres. Chaque unité est active, puisqu'elle contient des sondes ADN. Le mélange complexe de cibles à analyser est constitué, par exemple, par l'ensemble des ARN messagers extraits d'une cellule d'un type de tissu. Ceux-ci sont marqués afin de pouvoir être détectés ultérieurement par des techniques optiques (marquage par fluorescence) ou photographiques (marquage radioactif). Ce mélange est appliqué sur la surface de la puce et on laisse se faire le processus d'hybridation durant lequel les sondes capturent les cibles pour lesquelles elles présentent une affinité. À la fin de cette réaction, le dosage du signal dans chaque unité d'hybridation indique à quelle concentration l'espèce moléculaire complémentaire est présente dans le mélange. Cela permet la quantification du niveau d'expression des gènes dans le tissu étudié.

Puce à ADN

Dessin : Puce à ADN

Principe d'une puce à ADN. Celle-ci est composée d'un ensemble de structures élémentaires ou unités d'hybridation. Sur leur surface sont fixées des séquences d'ADN, appelées sondes, toutes identiques pour une même unité et codées avec un alphabet à quatre lettres (A, T, G, C),... 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Fabrication des biopuces

Les puces à ADN sont produites à partir de matériaux très divers, choisis en fonction des caractéristiques recherchées. Le silicium, recouvert éventuellement d'une couche d'or, est coûteux mais permet la conception de puces « intelligentes » qui incorporent en leur sein un mécanisme de contrôle de la réaction d'hybridation et de la détection du signal. Le verre est très prisé car peu onéreux, mais il doit être traité avec de la polylysine afin de permettre l'accrochage des sondes, qui se fait généralement en monocouche. D'autres matériaux sont architecturés en structures tridimensionnelles qui augmentent la sensibilité de détection de la puce. C'est le cas du silicium poreux, des membranes de Nylon ou des plots de polymères d'acrylamide déposés sur une lame de verre.

On greffe deux types de sondes sur ces surfaces : soit des oligonucléotides, c'est-à-dire des molécules d'ADN contenant de 10 à 25 monomères, soit des polynucléotides de taille bien supérieure, comprenant de 200 à 1 000 monomères. Le dépôt est effectué par contact avec une pointe ou par projection à partir [...]

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Puce à ADN

Puce à ADN
Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Microsystèmes : la puce à ADN Micam 8100

Microsystèmes : la puce à ADN Micam 8100
Crédits : Artechnique/ CEA

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Michel BELLIS, Claude VAUCHIER, « PUCES À ADN ET LABORATOIRES SUR PUCE », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 18 janvier 2022. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/puces-a-adn-et-laboratoires-sur-puce/