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1 - PUCES À ADN

2 - PUCES À PROTÉINES

3 - PUCES À SUCRES

4 - PUCES À CELLULES

5 - LABORATOIRES SUR PUCE

6 - MARCHÉ DES BIOPUCES

7 - ÉCUEILS DES BIOPUCES ET SOLUTIONS APPORTÉES

8 - CONCLUSION

Article de référence | Réf : BIO7150 v1

Puces à ADN
Biopuces : applications et devenir

Auteur(s) : Véronique ANTON LEBERRE

Date de publication : 10 mai 2013

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RÉSUMÉ

Une biopuce est un outil d'analyse multiplexé, d'interaction entre une sonde fixée sur un support et une cible en solution. Différents types de biopuces ont été développés depuis les années 1990 : puces à ADN, à protéines, à peptides, à sucres, à cellules, pour des applications variées. Aujourd'hui les évolutions des laboratoires sur puces poussent au plus loin la miniaturisation en intégrant toutes les étapes d'une analyse, depuis la préparation des échantillons jusqu'à l'analyse des résultats. L'intérêt des biopuces réside dans leur efficacité et la vitesse d'obtention des résultats, ainsi que dans la densité d'informations qu'elles contiennent.

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Auteur(s)

  • Véronique ANTON LEBERRE : Chargée de recherche au CNRS - Responsable de l'équipe biopuces bionanotechnologies du LISBP UMR INSA/CNRS 5204/INRA 791 et de la plate-forme GeT-Biopuces de la Génopole Toulouse Midi-Pyrénées

INTRODUCTION

Le concept des biopuces date du début des années 1990, mais c'est dans les années 2000 que les développements fourmillent et bouleversent le secteur des biotechnologies, notamment avec l'essor des puces à ADN. À vrai dire, l'idée n'est pas vraiment nouvelle. La puce à ADN représente la fusion de deux découvertes vieilles de plus de cinquante ans :

  • les travaux de J. Watson et F. Crick – Prix Nobel de physique 1962 – qui découvrent que l'ADN, cette molécule qui détermine le patrimoine génétique, est composé de deux brins complémentaires formant une structure en double hélice ;

  • le développement de la puce électronique.

Il ne reste alors plus qu'à réunir ces deux découvertes. L'idée est très simple, chaque brin d'ADN est constitué d'un enchaînement de nucléotides qui se lie à son brin complémentaire dans une exacte symétrie. Il suffit donc de fixer un seul de ces brins sur une puce : quand celui-ci rencontrera son complémentaire marqué, il y aura émission d'un message fluorescent, capté par un scanner et analysé par les logiciels appropriés. C'est là toute la magie de ce concentré de technologies : transformer une réaction biologique en signal électronique. L'idée ingénieuse voit ses développements et applications foisonner dans les années 2000, lorsque le vaste projet de décryptage du génome humain, le Human Genome Project (HGP), arrive à maturité. Depuis lors, le concept même de biopuces n'a fait que s'accroître et se renforcer. Reposant sur l'association de technologies pluridisciplinaires intégrant la micro-électronique, la chimie, l'analyse d'images, la bio-informatique, les mathématiques, la biopuce est devenue un outil d'analyse multiplexé d'interactions entre une sonde fixée sur support et une cible (analyte) en solution, marquée et extraite de systèmes biologiques. Les sondes sont déposées à des positions précises par méthode mécanique ou synthétisées directement sur la surface du support de la puce et sont des biomolécules de nature différente suivant le type de puces auquel on fait référence :

  • des acides nucléiques, dans le cas des puces à ADN ;

  • des protéines ou peptides, dans le cas des puces à protéines ;

  • des glycanes ou biomolécules glycosylées, dans le cas des puces à sucres ;

  • des cellules entières, dans le cas des puces à cellules.

Dans cet article, seront décrits ces différents types de biopuces, ainsi que le large panel de leurs applications, souvent méconnues. Nous aborderons ensuite les limites de cette technologie, mais aussi ses atouts qui en font, malgré l'apparition de nouvelles technologies de pointe, comme le séquençage de nouvelle génération, une technologie robuste et plébiscitée par de nombreux laboratoires. Les biopuces restent de nos jours abondamment utilisées dans les laboratoires pour des applications aussi variées que l'étude de l'expression des gènes, le génotypage, l'analyses des interactions protéines-protéines ou protéines-sucres, l'impact d'effecteurs exogènes sur des cellules ou encore l'effet d'ARN dit « interférent » sur des cellules transfectées. Si les champs d'applications des biopuces sont variés, les secteurs d'activité les utilisant le sont tout autant (la recherche fondamentale et pharmaceutique, le diagnostic médical, le contrôle agroalimentaire et industriel, les armes biologiques, etc.) et expliquent les prévisions toujours croissantes du marché des biopuces et de leur miniaturisation que sont les laboratoires sur puce.

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-bio7150


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1. Puces à ADN

Les puces à ADN, communément appelées « DNA Chips » ou « DNA microarrays », sont constituées de fragments d'ADN, appelés « sondes », immobilisés sur un support solide selon une disposition ordonnée. Le principe de fonctionnement de ces puces repose sur un fondement de la biologie moléculaire : l'hybridation, c'est-à-dire l'appariement de deux séquences d'ADN par complémentarité des bases. Par analogie, on peut comparer ce mécanisme à celui de la fermeture Éclair. En effet, les brins extraits de la double hélice d'ADN ont la capacité de reformer spontanément cette double hélice dès qu'ils se retrouvent face au brin complémentaire ; les quatre molécules élémentaires de l'ADN ont la particularité de s'unir deux à deux : l'adénine (A) avec la thymine (T), la cytosine (C) avec la guanine (G). Ce fonctionnement repose sur le même principe que le Southern blot ou le Northern blot, qui sont couramment utilisés pour détecter et quantifier la présence d'une séquence nucléique spécifique au sein d'un échantillon biologique complexe. L'idée conceptuelle de la biopuce n'est donc pas originale, mais sa miniaturisation et sa capacité d'analyse biologique à grande échelle (détection simultanée de milliers de séquences en parallèle, c'est-à-dire à la taille d'un génome entier) font la puissance de cette technique. Une puce comporte quelques centaines à plusieurs dizaines de milliers d'unités d'hybridation (spots). La biopuce est ensuite mise au contact d'autres fragments d'ADN ou ARN, appelés « cibles », préalablement marqués par un fluorochrome (dérivés des cyanines, alexa ou autres…) ou rendus radioactifs en présence de dCTP, dUTP, [P33] ou [P32]. Le contact entre cibles et sondes conduit à la formation d'hétéroduplex selon la règle d'appariement de Watson et Crick.

La détection de l'hybridation, par des scanners à laser ou par lecture d'écrans exposés à la radioactivité, engendre des milliers de signaux qui sont analysés par des outils informatiques. Les données enregistrées sont ensuite traitées et analysées statistiquement par des logiciels appropriés (Bioconductor Package de R, Genespring/Agilent, Partek...) pour conduire à une interprétation biologique de la réponse.

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - SHALON (D.), SMITH (S.J.), BROWN (P.O.) -   A DNA microarray system for analyzing complex DNA samples using two-color fluorescent probe hybridization.  -  Genome research, 6, p. 639-645 (1996).

  • (2) - DeRISI (J.), PENLAND (L.), BROWN (P.O.), BITTNER (M.L.), MELTZER (P.S.), RAY (M.), CHEN (Y.), SU (Y.A.), TRENT (J.M.) -   Use of a cDNA microarray to analyse gene expression patterns in human cancer.  -  Nat. Genet., 14(4), p. 457-4s60 (1996).

  • (3) - SCHENA (M.), SHALON (D.), HELLER (R.), CHAI (A.), BROWN (P.O.), DAVIS (R.W.) -   Parallel human genome analysis : microarray-based expression monitoring of 1 000 genes.  -  Proc. Natl. Acad. Sci., USA., 1, 93(20), p. 10614-10619 (1996).

  • (4) - DeRISI (J.), IYER (V.), BROWN (P.O.) -   The MGuide : a complete guide to building your own microarrayer.  -  Stanford, CA : Stanford University, (1998).

  • (5) - SCHENA (M.), SHALON (D.), DAVIS (R.W.), BROWN (P.O.) -   Quantitative monitoring of gene expression patterns with a complementary DNA microarray.  -  Science, 20, 270(5235), p. 467-470 (1995).

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