Nano-assemblages d'ADN induites par des cibles - Détection de petites cibles par formation de réseaux d'ADN

par Chenze Lu

Thèse de doctorat en Biologie structurale et nanobiologie

Sous la direction de Eric Peyrin et de Didier Gasparutto (csv).

Soutenue le 13-11-2017

à Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale chimie et science du vivant (Grenoble) , en partenariat avec Institut nanosciences et cryogénie (Grenoble) (laboratoire) .

Le président du jury était Eric Defrancq.

Le jury était composé de Valérie Pichon-Comparot.

Les rapporteurs étaient Maria Minunni, Benoît Limoges.


  • Résumé

    La détection de petites molécules contribue au développement de nombreux domaines tels que la sécurité alimentaire, la sécurité intérieure, le diagnostic, le contrôle de l'environnement, etc. Cependant, la petite taille de ces cibles et leur faible concentration rendent difficile leur détection. Pour pallier à cela, des biocapteurs avec des sondes appropriées et des stratégies d'amplification du signal sont nécessaires. Parmi les éléments de reconnaissance couramment utilisés, les aptamères présentent l'avantage d'une synthèse aisée et de grandes possibilités de modification, ainsi qu'une dénaturation réversible à haute température et une tolérance élevée à la concentration en sel et au pH dans le milieu de travail. Plus important encore, la petite taille des aptamères en fait un choix idéal pour créer des structures adaptées pour la détection de petites cibles. La possibilité de couper la séquence de l'aptamère a fourni d'autres approches d’amplification de signal. Il existe deux catégories de méthodes de détection basées sur des aptamères : analyse hétérogène lorsque l'aptamère est immobilisé sur la surface ou analyse homogène lorsque le test est réalisé en solution. Nous proposons dans cette thèse une approche appliquable aux deux stratégies. L'adénosine a été utilisée comme une cible modèle pour cette preuve de concept. La détection de l'adénosine a été obtenue en combinant l'auto-assemblage de dimères d'oligonucléotides avec des extrémités pendantes correspondantes à l'aptamère coupé. Nous avons construit des structures auto-assemblées d'ADN (de 1D à 3D) avec l'adénosine comme déclencheur d'un changement structurel. La première méthode décrite dans ce travail consiste à utiliser de telles structures d'ADN combinées à l'imagerie par Résonance de Plasmons de Surface (SPRi). La SPRi est une méthode sensible à la variation d'indice optique produite par l'interaction entre les sondes immobilisées sur le prisme de l'or et la cible dans la solution. En présence d'adénosine, la structure d'ADN s'auto-assemble sur la surface de l'or et un signal a été créé. La limite de détection de l'adénosine atteinte par cette méthode est de 10 μM. La deuxième homogène méthode consiste à analyser les variations d'absorbance UV de la solution contenant les structures d'ADN puisque l'absorbance UV de l'ADN monocaténaire et du duplex ADN hybride est différente. En raison de cet effet, la température de fusion des brins d'ADN peut être déterminée par la dérivée de l'absorbance UV mesurée. Les structures d'ADN combinant les extrémités pendantes de l'aptamère coupé couplés à des oligonucléotides complémentaires présentent deux températures de fusion caractéristique de la dissociation de chaque partie. L'une correspond à l'oligonucléotide hybridé et l'autre à l'aptamère coupé liant l'adénosine. En présence d'adénosine dans la solution, la stabilité de la structure augmente et le pic de fusion de l'aptamère coupé est décalé à une température plus élevée tandis que le second pic de fusion reste identique et peut servir de référence interne. La limite de détection atteinte pour cette méthode est de 1 μM. Les structures d'ADN que nous avons proposées s'auto-assemblent de manière linéaire ou bi- ou tri-dimensionnelle : la structure 1D est une chaîne d'ADN formée par un enchainement de dimères connectés par des extrémités formées de l'aptamère scindé; La structure en 2D est une structure en forme de Y formée par un ADN simple brin avec une extrémité aptamère scindé sur chaque branche du "Y"; La structure 3D est un tétraèdre formé par quatre simple brins d'ADN avec des extrémités aptamère scindé sur les quatre sommets. En présence d'adénosine, les structures 2D et 3D peuvent s'auto-assembler et ainsi former un réseau avec les extrémités pendantes. La structure 1D a été mûrement développée pour les deux méthodes, les structures 2D et 3D ont été prouvées efficaces pour la détection, mais nécessitent encore plus d'efforts pour permettre une détection optimisée.

  • Titre traduit

    Nano-DNA induced target assemblies - detection of small targets of DNA by forming networks


  • Résumé

    The detection of small molecules contributes to the development of many fields such as food safety, homeland security, diagnose, environment control, etc. However, their small size and low concentration are the usual cause of limitations in their detection. In order to improve the detection, biosensors with appropriate probes and signal amplification strategies are required. Amongst the commonly used recognition elements, aptamer has the advantage of easier mass production and modification, reversible denaturation at high temperature and high tolerance of salt concentration and pH in the working environment. More importantly its small size made it an ideal choice for creating delicate structures for the detection of small targets. The possibility of splitting the aptamer sequence has provided more approaches for amplification purpose. There are two categories of detecting methods based on aptamers: heterogeneous analyzation where the aptamer is immobilized on a surface or homogeneous analyzation where the assay is performed in solution. In this thesis, we proposed an amplification method useful for both heterogeneous and homogeneous assays. Adenosine was used as a proof of concept target. The detection of Adenosine was achieved by combining the self-assembly of oligonucleotide dimers with split-aptamer dangling ends. We constructed self-assembled DNA structures (from 1D to 3D) with Adenosine as the trigger for a structural change. The heterogeneous assay is based on in Surface Plasmon Resonance imaging (SPRi). SPRi is a method sensitive to the change of refraction index created by the interaction between the probes immobilized on the gold surface and the targets in the flowing solution. With the presence of Adenosine in the solution, the DNA structure is self-assembled on the gold surface and the signal was created. The detection limit achieved by this method was 10 µM. The second homogeneous assay is based on the melting profile of the solution determined from the absorbance of UV light (260 nm wavelength). The UV absorbance of single strand DNA and hybridized DNA duplex is different. Due to this effect, the melting temperature could be obtained from the UV absorbance measured. The DNA structures combining self-complementary oligonucleotides and split-aptamer dangling ends have two melting temperatures, one correspond to the oligonucleotides and the other to the split-aptamer. In presence of Adenosine in the solution the strength in the binding is increased. As a result, the melting peak of the split-aptamer shifted to higher temperature while the second melting peak correspond the oligonucleotide remains the same as an internal reference. The detection limit achieved for this method was 1 µM. The DNA structures we proposed varied from 1D to 3D: the 1D structure was a DNA chain formed by a series of dimers connected through split-aptamer dangling ends; the 2D structure was a Y shape structure formed by three single-strand DNA with a split-aptamer dangling end on each branch of the “Y”; the 3D structure was a tetrahedron formed by four single-strand DNA with split-aptamer dangling ends on the four vertexes. With presence of Adenosine, 2D and 3D structures can further form a network with the dangling ends. The 1D structure has been maturely developed for the two detection methods, the 2D and 3D structures have been proven effective for detection but still require more efforts to reach perfection.


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