Synopsis
Le projet a pour ambition de développer une approche bioinspirée originale pour la conception ultérieure de biocapteurs pour la détection non invasive, indolore et en temps réel de biomarqueurs volatils, dans l’air expiré des patients. De tels biomarqueurs ont été identifiés pour plusieurs maladies graves dont différents cancers, le diabète sucré et la neurodégénérescence. Un système de diagnostic respiratoire rapide, simple et miniaturisé présente des avantages évidents pour la détection précoce de ces pathologies, pour augmenter considérablement le nombre de personnes diagnostiquées et pour le suivi au point de service.
Si les nez électroniques (e-noses) existent déjà pour certaines pathologies comme l’asthme, le diagnostic des maladies à partir de l’analyse de l’haleine est généralement entravé par l’absence d’une ou plusieurs exigences techniques (sensibilité, sélectivité, simplicité, polyvalence…), la technologie idéale étant analogue au système olfactif naturel.
Pour relever le défi d’une bio-inspiration, deux technologies ont été interfacées dans ce projet : les récepteurs couplés à des canaux ioniques (ICCR) et les transistors à effet de champ à nanotubes de carbone à paroi simple (swCNT-FET). Les ICCR sont des biocapteurs originaux créés dans le laboratoire IBS en reliant des récepteurs couplés aux protéines G (GPCR) à un canal ionique. La reconnaissance des composés par le récepteur est transduite en signal électrique par le canal ionique. Une bibliothèque de GPCRs avec des récepteurs olfactifs naturels fournirait une carte olfactive convoitée des échantillons pour des diagnostics précis et multiplexés. Pour détecter le signal électrique avec des sensibilités extrêmes et à l’échelle nanométrique, les ICCR sont intégrés dans des transistors swCNT-FET. Les obstacles de la purification des ICCR, de l’insertion dans la bicouche lipidique et de la stabilité sont surmontés par la préparation de nanovésicules. La détection de substances odorantes avec un dispositif ICCR-swCNT-FET par les membres du projet a démontré la faisabilité de cette approche.
Consortium
Ce projet est un partenariat entre deux bénéficiaires : le CNRS et Seoul National University et trois équipes : Dr. Moreau, Prof. Park and Prof. Hong.
Principales réalisations
Les travaux réalisés au cours du projet se sont concentrés simultanément sur trois aspects techniques :
- le développement de biocapteurs basés sur des récepteurs pour la détection de composés volatils
- l’optimisation du matériel biologique pour l’interfaçage des biocapteurs avec des transistors à effet de champ (FET) à nanotubes de carbone
- l’amélioration des FET avec une sensibilité plus élevée, une réutilisabilité et une surface appropriée à l’analyse d’échantillons gazeux.
Les résultats ont conduit à la publication de 26 articles et d’un chapitre de livre, ainsi qu’à la présentation du projet et des résultats lors de deux symposiums conjoints entre la Fédération européenne de biotechnologie et la Fédération asiatique de biotechnologie.
Les principales avancées obtenues à ce jour sont
- dans l’ingénierie des biocapteurs :
– Le développement d’une deuxième génération de biocapteurs hybrides récepteur/canaux ioniques avec une amplitude de signal améliorée (Garcia Fernandez et al. Sci Rep. 2021).
– La caractérisation fonctionnelle dans des ovocytes de Xenopus d’un récepteur olfactif humain optimisé fourni par le laboratoire du professeur Matsunami (Duke University, NC, USA) et d’un récepteur olfactif de poisson.
– La détection électrophysiologique d’odeurs avec des récepteurs olfactifs d’autres espèces, élargissant ainsi la diversité des ligands reconnus.
– Les domaines extracellulaires des récepteurs du goût ont également été utilisés avec succès comme biocapteurs, démontrant la faisabilité de cette approche (Jeong et al. ACS Appl. Mater. Interfaces 2022). - dans la production de matériaux biologiques :
– Une méthode supplémentaire et plus simple que la méthode initiale de préparation de nanovésicules à partir de la membrane de cellules de mammifères a été développée. Ainsi, des récepteurs olfactifs ont été produits dans des bactéries. Pour leur intégration dans des FETs, ils ont été solubilisés et stabilisés soit dans des nanodisques (Yang et al. ACS Nano 2017 ; Lee et al. Sci. Rep. 2018, Lee et al. Biosens. Bioelectron. 2020) ou dans des micelles à double détergent (Shin et al. Sci. Rep. 2020 et Yoo et al. Sens. Actuators B Chem. 2022) pour détecter des substances odorantes ou des gaz toxiques. - dans la mise à niveau des FETs
– Une biopuce magnétique a été développée pour améliorer la vitesse et la sensibilité de la détection (faible liaison non spécifique) et pour faciliter la régénération de la surface (Yoo et al. Nanotechnology 2018).
– Une matrice sol-gel a été développée sur la surface du FET pour permettre la détection de composés volatils (Kim et al. Sci. Rep. 2018).
– L’ajout d’électrodes flottantes modifiées permet la détection spécifique, quantitative et très sensible de composés (Pham Ba et al. ACS Appl. Mater. Interfaces 2018).
– Les surfaces hybrides avec nanotube de carbone et or réduisent les bruits et la résistivité (Shin et al. Adv. Electron. Mater. 2020).
Publications
1) Nanoscale hybrid systems based on carbon nanotubes for biological sensing and control. Youngtak Cho, Narae Shin, Daesan Kim, Jae Yeol Park, Seunghun Hong. Bioscience Reports. 2017 : http://europepmc.org/articles/PMC5483890
2) Magnetically-focusing biochip structures for high-speed active biosensing with improved selectivity. Haneul Yoo, Dong Jun Lee, Daesan Kim, Juhun Park, Xing Chen, Seunghun Hong. Nanotechnology. 2018 : http://stacks.iop.org/0957-4484/29/i=26/a=265501?key=crossref.dd40246d6989f553aa032a566086ad5b
3) Nanodisc-Based Bioelectronic Nose Using Olfactory Receptor Produced in Escherichia coli for the Assessment of the Death-Associated Odor Cadaverine. Heehong Yang, Daesan Kim, Jeongsu Kim, Dongseok Moon, Hyun Seok Song, Minju Lee, Seunghun Hong, Tai Hyun Park. ACS Nano. 2016 : https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-02388831
4) Quantitative electrophysiological monitoring of anti–histamine drug effects on live cells via reusable sensor platforms. Viet Anh Pham Ba, Dong-guk Cho, Daesan Kim, Haneul Yoo, Van-Thao Ta, Seunghun Hong. Biosensors and Bioelectronics. 2017 : http://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0956566317302294
5) Human-like smelling of a rose scent using an olfactory receptor nanodisc-based bioelectronic nose. Minju Lee, Heehong Yang, Daesan Kim, Myungjae Yang, Tai Hyun Park, Seunghun Hong. Scientific Reports. 2018 : https://www-nature-com.insb.bib.cnrs.fr/articles/s41598-018-32155-1
6) Artificial Rod and Cone Photoreceptors with Human-Like Spectral Sensitivities. Byeongho Park, Heehong Yang, Tai Hwan Ha, Hyun Seo Park, Seung Ja Oh, Yong-Sang Ryu, Youngho Cho, Hyo-Suk Kim, Juyeong Oh, Dong Kyu Lee, Chulki Kim, Taikjin Lee, Minah Seo, Jaebin Choi, Young Min Jhon, Deok Ha Woo, Seok Lee, Seok Hwan Kim, Hyuk-Jae Lee, Seong Chan Jun, Hyun Seok Song, Tai Hyun Park, Jae Hun Kim. Advanced Materials. 2018 : https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-02187743
7) Nafion-Radical Hybrid Films on Carbon Nanotube Transistors for Monitoring Antipsychotic Drug Effects on Stimulated Dopamine Release. Viet Anh Pham Ba, Dong-guk Cho, Seunghun Hong. ACS Applied Materials & Interfaces. 2019 : https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-02187852v1
8) Dye-functionalized Sol-gel Matrix on Carbon Nanotubes for Refreshable and Flexible Gas Sensors. Jeongsu Kim, Haneul Yoo, Viet Anh Pham Ba, Narae Shin, Seunghun Hong. Scientific Reports. 2018 : http://europepmc.org/articles/PMC6086896
9) High-Speed Lateral Flow Strategy for a Fast Biosensing with an Improved Selectivity and Binding Affinity. Dong Guk Cho, Haneul Yoo, Haein Lee, Yeol Kyo Choi, Minju Lee, Dong June Ahn, Seunghun Hong. Sensors. 2018 : https://doaj.org/toc/1424-8220
10) Bioelectronic Nose Using Olfactory Receptor-Embedded Nanodiscs. Heehong Yang, Minju Lee, Daesan Kim, Seunghun Hong, Tai Hyun Park. Olfactory Receptors (book chapter) 2018 : https://link.springer.com/protocol/10.1007/978-1-4939-8609-5_18
11) Modified Floating Electrode-Based Sensors for the Quantitative Monitoring of Drug Effects on Cytokine Levels Related with Inflammatory Bowel Diseases. Viet Anh Pham Ba, Yoo Min Han, Youngtak Cho, Taewan Kim, Byung Yang Lee, Joo Sung Kim, Seunghun Hong. ACS Applied Materials & Interfaces. 2018 : https://zenodo.org/record/3501799
12) Nanoscale mapping of noise-source-controlled hopping and tunneling conduction in domains of reduced graphene oxide. Shashank Shekhar, Hyungwoo Lee, Duckhyung Cho, Myungjae Yang, Minju Lee, Seunghun Hong. Carbon. 2019 : https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-02384186
13) Bioelectronic sensor mimicking the human neuroendocrine system for the detection of hypothalamic-pituitary-adrenal axis hormones in human blood. Seung Hwan Lee, Minju Lee, Heehong Yang, Youngtak Cho, Seunghun Hong, Tai Hyun Park. Biosensors and Bioelectronics. 2020 : https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0956566320300683?via%3Dihub
14) Semiconducting Carbon Nanotubes Embedded in a Metallic Film for a Thermistor Device with an Adjustable Temperature Coefficient and Reduced Noise Source Activities. Narae Shin, Youngtak Cho, Jeongsu Kim, Seunghun Hong. Advanced Electronic Materials. 2020 : https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aelm.202000073
15) Ion-Selective Carbon Nanotube Field-Effect Transistors for Monitoring Drug Effects on Nicotinic Acetylcholine Receptor Activation in Live Cells. Youngtak Cho, Viet Anh Pham Ba, Jin-Young Jeong, Yoonji Choi, Seunghun Hong. Sensors. 2020 : http://europepmc.org/articles/PMC7374424
16) The ligand-bound state of a G protein-coupled receptor stabilizes the interaction of functional cholesterol molecules. Laura Lemel, Katarzyna Nieścierowicz, M. Dolores García-Fernández, Leonardo Darré, Thierry Durroux, Marta Busnelli, Mylène Pezet, Fabrice Rébeillé, Juliette Jouhet, Bernard Mouillac, Carmen Domene, Bice Chini, Vadim Cherezov, Christophe J. Moreau. Journal of Lipid Research. 2021 : https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-03180171
17) Reusable surface plasmon resonance biosensor chip for the detection of H1N1 influenza virus. Haneul Yoo, Junghyun Shin, Jieun Sim, Hyunmin Cho, Seunghun Hong. Biosensors and Bioelectronics. 2020 : https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0956566320305534?via%3Dihub
18) Micelle-stabilized Olfactory Receptors for a Bioelectronic Nose Detecting Butter Flavors in Real Fermented Alcoholic Beverages. Narae Shin, Seung Hwan Lee, Viet Anh Pham Ba, Tai Hyun Park, Seunghun Hong. Scientific Reports. 2020 : https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7270175/
19) Distinct classes of potassium channels fused to GPCRs as electrical signaling biosensors. M. Dolores García-Fernández ; Franck C. Chatelain ; Hugues Nury ; Anna Moroni ; Christophe Moreau. Cell Reports Methods. 2021 : https://hal.univ-grenoble-alpes.fr/hal-03518152
20) Mapping the nanoscale effects of charge traps on electrical transport in grain structures of indium tin oxide thin films. Hyesong Jeon ; Jeongsu Kim ; Shashank Shekhar ; Jeehye Park ; Seunghun Hong. Nanoscale Advances. 2021 : https://doi.org/10.1039/D1NA00175B
21) Olfactory receptor-based CNT-FET sensor for the detection of DMMP as a simulant of sarin. Jin Yoo ; Daesan Kim ; Heehong Yang ; Minju Lee ; So-ong Kim ; Hwi Jin Ko ; Seunghun Hong ; Tai Hyun Park. Sensors and Actuators B : Chemical. 2022 : https://doi.org/10.1016/j.snb.2021.131188
22) Reusable surface amplified nanobiosensor for the sub PFU/mL level detection of airborne virus. Junghyun Shin ; Hyeong Rae Kim ; Pan Kee Bae ; Haneul Yoo ; Jeongsu Kim ; Yoon-Ji Choi ; Aeyeon Kang ; Wan S. Yun ; Yong-Beom Shin ; Jungho Hwang ; Seunghun Hong. Scientific Reports. 2021 : https://doaj.org/article/e4963c581313496dafacb7bc6b772d38
23) Nanoscale mapping of wavelength-selective photovoltaic responses in H- and J-aggregates of azo dye-based solar cell films. Shashank Shekhar ; Inkyoung Park ; Jeongsu Kim ; Myungjae Yang ; Duckhyung Cho ; Seunghun Hong. Journal of Materials Chemistry A. 2020 : https://doi.org/10.1039/d0ta07328h
24) Dipolar Noise in Fluorinated Molecular Wires. Mingyu Jung, Shashank Shekhar, Duckhyung Cho, Myungjae Yang, Jeehye Park, Seunghun Hong. Nanomaterials. 2022 : https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC9031467/
25) Ultrasensitive Bioelectronic Tongue Based on the Venus Flytrap Domain of a Human Sweet Taste Receptor. Jin-Young Jeong, Yeon Kyung Cha, Sae Ryun Ahn, Junghyun Shin, Yoonji Choi, Tai Hyun Park, Seunghun Hong. ACS Appl Mater Interfaces. 2022 : https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-03668818
26) Evaluation of site-selective drug effects on GABA receptors using nanovesicle-carbon nanotube hybrid devices. Inkyoung Park, InwooYang, Youngtak Cho, Yoonji Choi, Junghyun Shin, Shashank Shekhar, Seung Hwan Lee, Seunghun Hong. Biosensors and Bioelectronics. 2022 : https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-03668844
27) Elicitation of potent SARS-CoV-2 neutralizing antibody responses through immunization with a versatile adenovirus-inspired multimerization platform. Christopher Chevillard, Axelle Amen, Solène Besson, Dalil Hannani, Isabelle Bally, Valentin Dettling, Evelyne Gout, Christophe J Moreau, Marlyse Buisson, Salomé Gallet, Daphna Fenel, Emilie Vassal-Stermann, Guy Schoehn, Pascal Poignard, Marie-Claire Dagher, Pascal Fender. Molecular Therapy. 2022 : https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC8828441/