Modeling and control of MEMS tweezers for the characterizations of enzymateic reactions on DNA molecules
Caractérisation et commande de micropinces en silicium pour l'amélioration de la sensibilité paramétrique d'expériences biologiques sur des molécules d'ADN
Résumé
The main objective of this Ph.D. is to achieve biological experiments on DNA molecules with versatile silicon nanotweezers. Experiments on single molecule rely on elaborated tools that have a low throughput since preparations are done one at a time. To move towards systematic and real-time analysis, design and fabrication of MEMS tweezers have been made by ourselves in the lab of Pr. H Fujita (U. of Tokyo, Japan). DNA molecules are firstly trapped in solution by dielectrophoresis. Then biological reaction on the DNA bundle is characterized in real-time by monitoring the mechanical resonance of the system {tweezers + DNA bundle}. The resolution of the measurements allowed the sensing of mechanical stiffness of about 30 of lambda-DNA molecule (i.e. about 20 mN/m). As it remains problematic to design and fabricate a new micro mechanical device with extremely low stiffness (< 1 N/m), state feedback control has been developed to emulate a system more sensitive to mechanical stiffness parameter detection. By simulations, it was demonstrated an enhancement of the sensitivity of about 10 when the resonant frequency of the closed-loop system is designed to be 10 times lower than the tweezers resonant frequency (i.e. reducing the equivalent stiffness of the system). Experimentally we demonstrated an improvement of the sensitivity superior to 2. However the issue is here to obtain stability and robustness with respect to disturbances and unmodeled dynamics. Before to attain the sensitivity of the single molecule, problematic about the model of the device or about the several dynamics of the device have been tackled in order to control and fit the improvement with the theory.
L'objectif de cette thèse est de réaliser des expériences biologiques sur des molécules d'ADN à l'aide de micropinces en technologie silicium. Les techniques de mesures à l'échelle d'une molécule unique dépendent essentiellement d'outils très complexes à mettre en œuvre et à utiliser. Afin de se diriger vers des analyses systématiques et temps réel, la conception et la fabrication des micropinces MEMS ont été réalisées au sein du laboratoire. Les molécules d'ADN sont attrapées directement en solution par diélectrophorèse, puis des réactions biologiques sur l'ADN sont caractérisées en temps réel par le suivi de la résonance mécanique du système. La résolution des mesures permet alors de détecter la raideur mécanique de 30 molécules de lambda-ADN (i.e. 20 mN/m). Etant donné qu'il est compliqué de fabriquer un nouveau microsystème avec une raideur très faible (< 1 N/m), une commande par retour d'état a été développée afin d'émuler un système plus élastique et plus sensible¬ ¬aux variations de paramètres. Il a été démontré par simulations que la sensibilité peut être améliorée par un facteur 10 quand la fréquence de résonance du système en boucle fermée est divisée par 10 (i.e. en réduisant la raideur effective du système). Nous avons démontré par expérience une amélioration jusqu'à un facteur 2. Cependant, les problèmes sont alors d'obtenir stabilité et robustesse aux perturbations et aux défauts du modèle. Par conséquent, avant d'atteindre la résolution d'une seule molécule d'ADN, les problématiques concernant la modélisation du système et la présence de nombreuses dynamiques ont été étudiées et corrigées dans de but d'une meilleure implémentation de la commande.