À ce stade, on pourrait se demander quel est le lien entre une alimentation électrique et la PCR, mais en réalité, l'industrie des alimentations électriques et les dernières technologies numériques d'alimentation ont grandement contribué à rendre le processus de PCR plus efficace et précis. Avant d'expliquer comment, revenons aux origines de tout cela

Au cœur de la double hélice :
Nous avons tous appris à l'école que le matériel héréditaire humain est appelé acide désoxyribonucléique, ou ADN. Il contient toutes les informations génétiques et les instructions nécessaires au développement, à la croissance, à la survie et à la reproduction des organismes. Découvert en 1866 par Gregor Mendel, considéré comme le « père de la génétique », l'ADN a nécessité de nombreuses années de travail pour que les scientifiques parviennent à déchiffrer son code secret et à l'utiliser au mieux pour le bien de l'humanité.

Figure 01 : Structure en double hélice de l'ADN (Avec l'aimable autorisation du National Human Genome Research Institute)

En 1953, une étape fondamentale fut franchie lorsque James Dewey Watson et Francis Harry Compton Crick publièrent leurs découvertes sur la structure en double hélice de l'ADN, qui s'enroule pour former la structure caractéristique en forme d'échelle que l'on observe sous de nombreuses formes (Figure 1). Leurs travaux furent récompensés en 1962 par le prix Nobel de médecine, qu'ils partagèrent avec Maurice Hugh Frederick Wilkins pour leurs découvertes concernant la structure moléculaire des acides nucléiques et leur rôle essentiel dans le transfert de l'information génétique au sein du vivant.

La composition de l'ADN est comparable aux lettres de l'alphabet. Combinées dans un ordre précis, elles forment des mots, des phrases et des histoires. La lecture et la compréhension du génome humain ont nécessité des recherches approfondies, et ce n'est qu'en mars 2022 que les scientifiques ont enfin établi la première carte complète du génome humain, composée de plus de 3 milliards de paires de bases. Difficile à imaginer, mais en termes plus concrets, cela équivaudrait à un livre d'un million de pages : de quoi bien se plonger dans la lecture avant de dormir.

Le séquençage complet du génome humain a été rendu possible grâce à de nombreuses innovations technologiques. Citons par exemple la méthode de séquençage d'ADN Oxford Nanopore, capable de séquencer jusqu'à un million de paires de bases d'ADN simultanément, malgré quelques erreurs, et la méthode PacBio HiFi, qui permet de lire 20 000 paires de bases avec une précision de 99,9 %. Ces avancées sont remarquables, mais elles n'auraient pas été possibles sans les découvertes de pionniers.

Figure 02 Dr Kary Banks Mullis

La compréhension de l'ADN a été un domaine de recherche très important et une boîte à outils en développement pour le déchiffrer ; c'est le rêve de tout biochimiste, et il convient de mentionner Kary Banks Mullis qui, en 1983, a inventé la PCR, ce qui a contribué à stimuler la recherche et la vitesse de compréhension approfondie de l'ADN (Figure 02).

La machine à copier l'ADN est née
. Légende urbaine ou réalité ? On raconte qu'en 1983, alors qu'il se rendait en voiture de la baie de San Francisco à son chalet de Mendocino, le Dr Kary Banks Mullis eut, comme un éclair dans le ciel californien, l'intuition d'un moyen de localiser un segment précis d'ADN et d'en synthétiser une multitude de copies. À l'époque, Mullis travaillait pour la société Cetus et s'attelait à transformer son intuition en procédé.

Après de nombreux rebondissements, Mullis soumit en 1987 à la revue Nature un article intitulé « Methods in Enzymology », qui marqua le début du développement de la PCR. En 1993, il reçut le prix Nobel de chimie pour son invention de la réaction en chaîne par polymérase (PCR). Ce procédé, qu'il avait conceptualisé en 1983, est considéré comme l'une des techniques scientifiques majeures du XXe siècle.

Figure 03 : Processus et cycles du PRC (Avec l'aimable autorisation du National Institute of Human Genome Research)

Qu'est-ce que la PCR et comment fonctionne-t-elle ?
La réaction en chaîne par polymérase (PCR) est une technique de laboratoire permettant de produire (amplifier) ​​rapidement des millions, voire des milliards, de copies d'un segment d'ADN spécifique, qui peuvent ensuite être étudiées plus en détail. La PCR utilise de courts fragments d'ADN synthétiques, appelés amorces, pour sélectionner un segment du génome à amplifier, puis effectue plusieurs cycles de synthèse d'ADN pour amplifier ce segment (Figure 03). Ce procédé spécifique nécessite de placer les échantillons dans des tubes et de les soumettre à des cycles thermiques très précis – et c'est là que l'alimentation rencontre l'ADN !

Ce processus comprend plusieurs étapes, mais trois sont cruciales (dénaturation, hybridation, extension) et sont répétées de nombreuses fois pour produire des copies des segments d'ADN (figure 4). Sans entrer dans les détails, voici un résumé des trois étapes critiques :

Première étape - Dénaturation
La préparation contenue dans le tube est chauffée à au moins 94 °C. La chaleur rompt les liaisons hydrogène de l'échantillon d'ADN original et sépare l'ADN en brins simples.

Deuxième étape – Hybridation :
La température est abaissée à environ 5 °C en dessous de la température de fusion des amorces, entre 50 et 60 °C, permettant ainsi aux amorces d’ADN et à l’enzyme ADN polymérase de se lier aux brins d’ADN individuels séparés par la chaleur. À ce stade, les nucléotides (A, T, C, G) de la solution de mélange ajoutée s’apparient aux brins d’ADN individuels séparés par le processus de chauffage.

Troisième étape – Extension.
La température est ensuite portée à 72 °C pour initier l'extension. Une fois les segments liés, ils forment un nouveau brin d'ADN complémentaire. Chaque brin simple de la molécule d'ADN initiale donne naissance à une nouvelle molécule d'ADN double brin, dupliquée. Une fois la séquence complète, la température est de nouveau augmentée pour démarrer un nouveau cycle.

Les étapes un à trois sont répétées 30 à 40 fois, les cycles de chauffage et de refroidissement se répétant automatiquement. Ce procédé duplique la séquence d'ADN à chaque cycle. Au terme du processus, des millions de copies de l'échantillon original sont obtenues.

Quatrième étape – Extension finale et stockage.
Une étape d'extension finale est nécessaire pour permettre la synthèse correcte de tous les produits PCR, généralement à 72 °C pendant 10 minutes. Enfin, la température doit être abaissée à 4 °C pour conserver le produit PCR jusqu'à son analyse.

En fonction de l'objectif final, du temps ou du niveau de précision requis, des variantes de ce processus sont souvent utilisées, par exemple la PCR quantitative en temps réel (qPCR), la PCR par transcription inverse (RT-PCR), la PCR quantitative par transcription inverse (RT-qPCR), la PCR numérique (dPRC), la PCR numérique en gouttelettes (ddPCR) et la PCR microfluidique.

Figure 05 : Équipement PCR de laboratoire typique (PRBX/ Natatravel/Shutterstock)

Alimentations pour PCR performante :
De nombreuses applications médicales nécessitent un contrôle thermique, comme les incubateurs néonatals, le réchauffement du sang pour l’hémolyse et les chambres d’incubation de laboratoire. La plupart de ces applications requièrent une régulation thermique précise, et la plupart des alimentations médicales à tension de sortie contrôlée conviennent. Cependant, les équipements de PCR (Figure 5), avec leurs cycles thermiques spécifiques exigeant une haute précision et des séquences répétitives, nécessitent une solution d’alimentation dédiée. Ces systèmes adoptent souvent une approche modulaire, avec l’alimentation et le contrôle intégrés à la boucle de régulation thermique de la PCR.

Comme le montre la figure 4, les cycles thermiques sont très courts : l’élément chauffant doit ajuster sa température entre +95 °C (haut), +50 °C (bas), +72 °C (plateau), puis revenir à +95 °C après quatre minutes. Ce cycle est répété entre 30 et 40 fois avec une très grande précision.

Il existe différentes méthodes pour générer et contrôler la température dans les thermocycleurs, mais beaucoup utilisent des éléments Peltier. Bien que l'application principale de l'effet Peltier soit le refroidissement, il peut également être utilisé pour le chauffage ou la régulation de température. Il peut aussi être combiné à un autre élément chauffant et, grâce à une hystérésis contrôlée, servir à refroidir l'enceinte thermique.

Figure06 : Alimentation électrique conventionnelle avec contrôle et surveillance numériques via une entrée numérique, par exemple PMBus (PRBX)

Les fabricants de thermocycleurs PCR ont développé des algorithmes très complexes pour ajuster et contrôler précisément la température. Grâce à l'introduction de la gestion numérique de l'alimentation et de l'énergie, il est devenu plus facile d'interconnecter le processeur du thermocycleur à l'étage de commutation et de contrôler la tension et le courant via une interface numérique, telle que PMBus, afin d'alimenter les éléments chauffants/refroidissants (Figure 06).

Dans certains cas, le signal PWM est généré par le contrôleur du thermocycleur et injecté dans l'étage de commutation de l'alimentation pour contrôler strictement les paramètres sans étapes supplémentaires (Figure 07).

Étant donné que l'étage de puissance est fortement intégré à la boucle de contrôle thermique, il en fait souvent partie intégrante, et les concepteurs de systèmes d'alimentation doivent travailler en étroite collaboration avec les programmeurs pour fournir le temps de réponse le plus optimisé à une demande spécifique, ce qui est très intéressant et, en fait, assez différent des méthodes de travail plus conventionnelles lors de la conception de solutions d'alimentation.

En conclusion :
depuis sa découverte par le Dr Kary Banks Mullis en 1983 jusqu’à son application généralisée à la détection du virus SARS-CoV-2 dans des milliards d’échantillons, la technologie PCR a joué un rôle crucial dans la recherche médicale et la santé publique. Elle a également constitué un domaine de recherche passionnant pour les ingénieurs en électronique de puissance, qui ont conçu des solutions d’alimentation (figure 8) en étroite collaboration avec l’industrie médicale afin de développer des alimentations de haute précision, hautement programmables et intégrables au système.

Qui a dit que le monde des alimentations électriques était ennuyeux ?

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Références :
Powerbox (PRBX) :
https://www.prbx.com/

Dr Kary Banks Mullis
https://www.karymullis.com/

La séquence complète du génome humain
: https://www.science.org/doi/10.1126/science.abj6987

Institut national de recherche sur le génome humain
https://www.genome.gov/

Pour plus d'informations
, consultez le site www.prbx.com.
Contactez Patrick Le Fèvre, directeur marketing et communication,
au +46 (0)158 703 00.

Référence : PRBX-A-051-ES

À propos de l'auteur :
Patrick Le Fèvre, directeur marketing et communication chez Powerbox, est un expert en marketing et un ingénieur qualifié, fort de 40 ans d'expérience dans l'électronique de puissance. Pionnier dans la commercialisation de nouvelles technologies telles que l'énergie numérique et dans les initiatives techniques visant à réduire la consommation d'énergie, il a rédigé et présenté de nombreux livres blancs et articles lors de conférences internationales majeures sur l'électronique de puissance. Ces publications ont été diffusées plus de 450 fois dans les médias du monde entier. Il participe également à divers forums environnementaux, où il partage son expérience et ses connaissances en matière d'énergies propres.
Patrick Le Fèvre,
directeur marketing et communication, Powerbox