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RÉSUMÉ
La surveillance environnementale requiert des approches complémentaires aux méthodes physico-chimiques. Dans ce contexte, les biocapteurs apparaissent comme des solutions pertinentes. Ces outils, de par les mécanismes de reconnaissance biologique mis en œuvre, permettent d’appréhender la métrologie environnementale sous un angle différent : soit au travers de méthodes simplifiées permettant un usage terrain, soit en s’intéressant à des mesures spécifiques telles que la biodisponibilité, la persistance ou la toxicité. Cet article s’intéressera, en premier lieu, au principe et à l’architecture des biocapteurs, avant de présenter des exemples illustrés d’applications dans l’environnement.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Sulivan JOUANNEAU : Maitre de Conférences - Université de Nantes, UMR CNRS 6144 GEPEA, La Roche-sur-Yon, France
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Gérald THOUAND : Professeur des Universités - Université de Nantes, UMR CNRS 6144 GEPEA, La Roche-sur-Yon, France
INTRODUCTION
La préservation et l’amélioration de la qualité de l’environnement sont des préoccupations majeures pour nos sociétés. Les moyens mis en œuvre pour la surveillance et la mesure de la qualité de l’environnement, dans ces différents compartiments (air, eau, sol), reposent, pour l’essentiel, sur des approches physico-chimiques.
Ces dernières sont particulièrement sensibles et spécifiques pour identifier et évaluer avec précision les concentrations en présence dans les échantillons analysés. Néanmoins, elles sont contraintes par leur champ d’action qui est limité à la gamme des composés susceptibles d’être mesurés. De plus, ces approches requièrent généralement des équipements complexes et onéreux, ainsi que du personnel hautement qualifié induisant des coûts relativement élevés. Ce dernier point est un frein à leur déploiement dans l’environnement, au vu de la complexité et de la diversité des matrices (sol/air/eau), et contraint généralement les campagnes de mesure à des zones géographiques limitées et/ou avec un maillage grossier de l’espace d’étude.
Dans ce contexte, les biocapteurs apparaissent comme des alternatives technologiques susceptibles de répondre à ces limitations en permettant de renseigner des informations non disponibles via les approches physico-chimiques (toxicité, biodisponibilité, biodégradabilité). Aussi, depuis plusieurs décennies, les chercheurs s’intéressent à ces approches pour des applications de monitoring environnemental. Plusieurs voies ont été explorées reposant sur des architectures différentes tant au niveau des mécanismes biologiques impliqués dans le processus de détection (ADN, protéines, cellules) qu’au niveau des signaux recueillis.
Cet article reviendra, dans un premier temps, sur la définition et sur le principe de fonctionnement d’un biocapteur avant de présenter, en détail, les grandes familles de biocapteurs. Les deux premières sections se focaliseront, respectivement, sur le principe et l’architecture des biocapteurs en s’appuyant notamment sur des illustrations et des schémas. La troisième section de l’article abordera, quant à elle, l’aspect applicatif de ces stratégies métrologiques dans le contexte de la mesure environnementale.
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Applications dans le domaine de l’environnement
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2. Architecture des biocapteurs
Les architectures des biocapteurs présentées dans cet article ne se limitent pas uniquement aux biocapteurs appliqués à l’environnement, à l’exception des biocapteurs microbiens qui ne connaissent, actuellement, pas ou peu de développement dans les domaines du diagnostic médical et de l’agroalimentaire.
La chaîne de mesure mise en œuvre dans un biocapteur est directement liée à la nature des bioéléments utilisée. En effet, le choix du bioélément va conditionner le type de signal biologique généré et, par conséquent, les modalités de transduction permettant de collecter et d’analyser ces signaux.
En outre, les biocapteurs permettent, selon les modalités de reconnaissance biologiques mises en œuvre, d’étendre le champ de caractérisation des matrices environnementales en s’attachant notamment à la question des effets induits. La figure 2 reprend l’étendue des informations susceptibles d’être évaluées par ces stratégies d’analyse biologiques.
2.1 Bioéléments
Les enzymes sont des structures protéiques, largement utilisées pour le développement de biocapteurs. Historiquement, les enzymes ont été les premiers bioéléments utilisés pour le développement de biocapteurs notamment à la suite des travaux initiés par Clark et Lyons en 1962 .
Une réaction enzymatique est une réaction chimique ou biochimique catalysée par une enzyme. Le substrat (cible de l’enzyme) va se lier transitoirement avec l’enzyme pour former un complexe et induire la transformation du substrat en produit de la réaction. Le produit se libère alors de l’enzyme, qui reprend sa conformation initiale, restaurant, dans le même temps, ses propriétés catalytiques.
Les anticorps sont, comme les enzymes, des structures protéiques. Néanmoins ces derniers sont spécialisés dans la reconnaissance spécifique...
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Architecture des biocapteurs
BIBLIOGRAPHIE
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(1) - CLARK (L.C.), LYONS (C.) - * - Ann. N. Y. Acad. Sci., 102, 29-45 (1962).
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(2) - GRONOW (M.) - * - Trends Biochem. Sci., 9 (8), 336-340 (1984). DOI: 10.1016/0968-0004(84)90055-0.
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(3) - THEVENOT (D.R.), TOTH (K.), DURST (R.A.), WILSON (G.S.) - * - Biosens Bioelectron., 16 (1-2), 121-31 (2001).
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(4) - NAGEL (B.), DELLWEG (H.), GIERASCH (L.M.) - * - Pure Appl. Chem., 64 (1), 143-168 (1992). DOI: 10.1351/pac199264010143.
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(5) - HARVEY (D.) - * - Analytical Chemistry 2.0 (2018).
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(6) - TOULMÉ (J.-J.), DA ROCHA (S.), DAUSSE (E.), AZÉMA (L.), LEBARS (I.), MOREAU (S.) - * - Médecine Nucl., 31 (9), 478-484 (2007). DOI: 10.1016/j.mednuc.2007.07.009.
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
NORMES
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Qualité de l’eau – Détermination de l’effet inhibiteur d’échantillons d’eau sur la luminescence de Vibrio fischeri (Essai de bactéries luminescentes) – Partie 1 : Méthode utilisant des bactéries fraîchement préparées - ISO 11348-1 - 2007
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Qualité de l’eau – Détermination de l’effet inhibiteur d’échantillons d’eau sur la luminescence de Vibrio fischeri (Essai de bactéries luminescentes) – Partie 2 : Méthode utilisant des bactéries déshydratées - ISO 11348-2 - 2007
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Biodégradabilité facile - OCDE 301 -
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ANNEXES
Décret n° 2001-1220 du 20 décembre 2001 relatif aux eaux destinées à la consommation humaine, à l’exclusion des eaux minérales naturelles.
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