Laboratoire sur puces

Des chercheurs mettent au point un dispositif portable pour tester la toxicité de l'eau.

12 Novembre 2015 à 8H37

Le prototype créé en septembre 2014 possède six chambres de test, ce qui permet d'analyser des concentrations différentes de polluants. Photo: Nathalie St-Pierre

Dans un laboratoire du Pavillon des sciences biologiques, Marie-Claude Perron (M.Sc. biologie, 11) s'affaire à déterminer si l'échantillon d'eau qu'elle a recueilli dans un ruisseau est toxique. L'eau provient d'un cours d'eau bordant un champ de maïs que l'on soupçonne être arrosé de pesticides. Pour en avoir le cœur net, elle enfile des gants, verse l'échantillon dans une éprouvette contenant des millions d'algues microscopiques, agite le tout et dépose le mélange sur une petite languette. Après avoir fait la même chose avec de l'eau du robinet – qui servira d'échantillon témoin –, l'agente de recherche au Département des sciences biologiques insère la languette dans un boîtier électronique de la taille d'un paquet de cartes à jouer, puis branche le boîtier à un ordinateur.

Quelques minutes plus tard, le verdict tombe: l'eau du ruisseau est 20 % plus toxique que l'eau du robinet. Les soupçons sur les pesticides étaient fondés!

Photo: Nathalie St-Pierre

L'outil qui a permis de tirer cette conclusion a été mis au point par l'équipe du professeur Ricardo Izquierdo, du Département d'informatique, en collaboration avec celle du professeur Philippe Juneau (B.Sc. biochimie, 94, M.Sc. chimie, 96, Ph.D. sciences de l'environnement, 00), du Département des sciences biologiques. Ce laboratoire sur puces en est encore à l'état de prototype, mais sa commercialisation semble prometteuse. En effet, à l'heure actuelle, il n'y a qu'une façon de savoir si une source d'eau est toxique: faire appel à un laboratoire accrédité. «Le coût d'un test d'analyse chimique varie entre 500 et 2000 dollars et il faut attendre plusieurs jours pour obtenir les résultats», indique Florent Lefèvre (Ph.D. chimie, 14), qui a travaillé à la conception du laboratoire sur puces dans le cadre de sa thèse, codirigée par les professeurs Izquierdo et Juneau. «Notre dispositif, au contraire, est portable, facile à utiliser, rapide et économique.»

Photosynthèse et fluorescence

Comme les plantes, les algues captent l'énergie du soleil pour fabriquer de la matière organique à partir de matériaux inorganiques (eau et dioxyde de carbone) tout en libérant de l'oxygène. C'est le processus de la photosynthèse. La cellule de l'algue, l'une des plus petites cellules au monde, est particulièrement sensible à tous les polluants – fongicides, insecticides, herbicides, perturbateurs endocriniens, métaux – qui viennent perturber ce processus. «Certains pesticides bloquent complètement la chaîne de transport des électrons, explique Marie-Claude Perron. L'énergie de la lumière, qui ne peut pas être transformée par photosynthèse, est réémise sous forme de fluorescence.» Autrement dit, plus l'eau est polluée, plus la fluorescence de l'algue est élevée.

« Le coût d'un test d'analyse chimique varie entre 500 et 2000 dollars et il faut attendre plusieurs jours pour obtenir les résultats. Notre dispositif, au contraire, est portable, facile à utiliser, rapide et économique.»

Florent lefèvre,

Chercheur

C'est cet indicateur que mesure le laboratoire sur puces. Dans notre exemple, le dispositif a décelé que l'eau du ruisseau augmentait la fluorescence des algues d'environ 20 % par rapport à l'eau du robinet. On en conclut que l'eau testée contenait des substances toxiques qui ont altéré la photosynthèse des algues. «En laboratoire, on peut approfondir d'autres paramètres de la photosynthèse concernant, par exemple, l'émission d'oxygène, explique Marie-Claude Perron. Mais pour l'utilisateur profane, la fluorescence est un indicateur qui mesure la toxicité de l'eau de façon fiable.»

Un biologiste, un informaticien… et un chimiste

L'idée de créer un outil pour mesurer la pollution de l'eau ne date pas d'hier. «Mon directeur de maîtrise et de doctorat en rêvait déjà dans les années 1990, mentionne Philippe Juneau, qui s'intéresse à l'impact des polluants sur les algues depuis près de 20 ans. La technologie n'était pas au point à l'époque et les premiers prototypes étaient trop gros et trop complexes.»

Photo: Nathalie St-Pierre

C'est lors d'une activité d'intégration des nouveaux professeurs de la Faculté des sciences, au milieu des années 2000, qu'il fait la rencontre de Ricardo Izquierdo. Expert en microfluidique, ce dernier peut créer des canaux de liquides mesurant à peine quelques microns, soit un millième de millimètre! Le professeur d'informatique possède donc, en théorie, une solution au problème du professeur de biologie. Mais, en pratique, l'arrimage de leurs idées ne va pas de soi. «Nous ne parlions pas du tout le même langage, explique Philippe Juneau. Certains termes avaient une signification différente dans les deux disciplines, tandis que d'autres, comme capteurs ou résistance, m'étaient complètement étrangers.»

«Nous avions des philosophies différentes, des approches différentes et, parfois, l'un essayait de "convertir" l'autre, ajoute Ricardo Izquierdo. Mais nous avons appris à nous comprendre et à avancer ensemble.»

Les deux professeurs étaient loin de se douter que la personne qui réaliserait le mariage entre leurs deux disciplines ne serait ni un biologiste ni un informaticien, mais un chimiste! «J'aime me placer dans la peau de monsieur ou madame Tout-le-monde, qui ne connaît ni la biologie ni la microélectronique», mentionne Florent Lefèvre, le seul étudiant de l'histoire de la Faculté des sciences à avoir obtenu un doctorat en chimie en étant codirigé par deux professeurs qui ne sont pas affiliés à ce département. «Pour moi, l'important est que le prototype fonctionne et qu'il soit facile à utiliser, peu importe la discipline.»

Des algues pleines de potentiel

De nature sceptique, le doctorant n'est pas convaincu, lorsqu'il amorce son doctorat en 2007, que les algues sont la meilleure solution pour mesurer la toxicité de l'eau. Pour se faire une tête, il cogne à la porte d'Annie Chalifour (Ph.D. biologie, 14). Alors étudiante au doctorat sous la direction de Philippe Juneau, elle étudie l'effet des herbicides sur les algues microscopiques et les cyanobactéries. «Je lui ai posé plein de questions sur les algues et c'est elle qui m'a convaincu de leur potentiel.»

En parallèle, l'étudiante à la maîtrise Marie-Claude Perron, elle aussi dirigée par le professeur Juneau, évalue la sensibilité de différentes espèces d'algues aux divers polluants afin de déterminer celles qui en détectent le plus grand nombre.

Sur le plan de la microélectronique, la plus grande avancée survient en 2009. Florent Lefèvre apprend qu'un professeur de l'Université de Chicago a mis au point un nouveau polymère organique permettant de créer la meilleure cellule solaire au monde. Il le contacte et parvient à obtenir ces polymères, qui vont jouer un rôle essentiel dans la fabrication du laboratoire sur puces.

C'est finalement en septembre 2014 que les chercheurs accoucheront du premier prototype fonctionnel. Ce dernier possède 6 chambres de test, ce qui permet, entre autres, d'analyser des concentrations différentes de polluants. Un nouveau prototype à neuf chambres devrait être lancé cet automne. «Ce prototype sera plus robuste, donc mieux adapté à la réalité des utilisateurs sur le terrain, et il sera doté de composantes électroniques plus stables», précise Marie-Claude Perron.

«Dans le cas où l'eau contiendrait une cinquantaine de polluants en petites quantités, une analyse chimique dirait que l'eau est bonne, puisque chacune de ces substances, prise individuellement, ne dépasserait pas le seuil toléré. Mais notre dispositif pourrait démontrer que la combinaison de ces 50 substances a un effet néfaste sur les vivants.» »

philippe juneau,

Professeur au Département des sciences biologiques

Un investisseur enthousiaste

La stabilité des pièces électroniques est, en effet, essentielle au bon fonctionnement de l'appareil. Florent et Marie-Claude l'ont appris à leurs dépens lors d'une présentation du prototype au p.-d.g. d'une entreprise qui souhaitait investir dans le projet. «Juste avant la rencontre, l'appareil, court-circuité, n'envoyait aucun signal, raconte l'agente de recherche. Heureusement, en arrivant sur place, Florent a réussi à emprunter un fer à souder et à le réparer. Une heure plus tard, le p.-d.g., enthousiaste, embarquait dans le projet. Mais nous avons eu chaud!»

Les chercheurs ne prétendent pas que leur invention se substituera complètement à un laboratoire d'analyse chimique. «Les deux voies sont complémentaires, souligne Philippe Juneau. Les analyses chimiques nous disent exactement le produit qui se trouve dans l'eau, mais ne nous renseignent pas sur la toxicité. Par exemple, dans le cas où l'eau contiendrait une cinquantaine de polluants en petites quantités, une analyse chimique dirait que l'eau est bonne, puisque chacune de ces substances, prise individuellement, ne dépasserait pas le seuil toléré. Mais notre dispositif pourrait démontrer que la combinaison de ces 50 substances a un effet néfaste sur les vivants.»

Dans sa version actuelle, le laboratoire sur puces n'est pas suffisamment sensible pour tester l'eau potable, ce qui réduit son potentiel commercial auprès des particuliers. À court terme, le dispositif s'adresse plutôt aux industriels qui veulent tester leurs produits – de nouveaux herbicides, par exemple – ou encore au ministère de l'Environnement pour l'évaluation de la toxicité des cours d'eau. Les chercheurs ont récemment développé, avec l'aide du Service des partenariats et du soutien à l'innovation de l'UQAM et de la société de valorisation Aligo Innovation, un partenariat avec une entreprise qui s'en servira pour mesurer la toxicité de ses eaux usées.

Vers un produit grand public

D'ici une dizaine d'années, toutefois, les chercheurs espèrent que leur produit pourra détecter les polluants présents dans l'eau potable en petites quantités, et ainsi être utilisé par le grand public. «Nous pourrions aussi ajouter d'autres capteurs pour évaluer la turbidité ou le pH de l'eau, par exemple», mentionne Ricardo Izquierdo. «De notre côté, nous souhaitons développer une banque d'algues pour déceler la présence de catégories précises de polluants», dit Philippe Juneau.

Un produit grand public contribuerait à améliorer l'approvisionnement en eau potable. Si l'eau du Québec est généralement très bonne, ce n'est pas le cas dans plusieurs pays en développement. «Notre laboratoire sur puces pourrait permettre de démocratiser l'accès aux tests de qualité de l'eau dans le monde, souhaite Florent Lefèvre. Qui sait, peut-être pourrait-il sauver des vies…» 

Source:
INTER, magazine de l'Université du Québec à Montréal, Vol. 13, no 2, automne 2015.

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