De l'or et de la lumière pour étudier les molécules dans l'eau

De la taille d'un cheveu humain, un dispositif inédit permet non seulement de détecter des molécules dans une solution liquide, mais aussi d'observer leurs interactions. De quoi susciter l'intérêt de la communauté scientifique, qui ne dispose actuellement d'aucune méthode fiable pour examiner en temps réel à la fois le comportement des molécules et leur structure chimique, lorsqu'elles sont dans un milieu aqueux.

Développé à l'Université de Boston par Hatice Altug et son étudiant Ronen Adato, le procédé met en commun des techniques de détection infrarouge et des nanoparticules d'or. Il constitue un outil de mesure inédit, qui pourrait se révéler utile pour étudier le comportement des polluants dans un cours d'eau ou encore la manière dont les médicaments agissent dans le sang, par exemple.

Maintenant chercheuse à l'EPFL, Hatice Altug, a vu ses résultats publiés dans Nature Communication.

Comme une corde de guitare
Pour élaborer son dispositif, la scientifique s'est appuyée sur une méthode de détection bien connue : la spectroscopie par absorption infrarougeLe rayon excite les molécules, qui se mettent à vibrer de différentes manières, selon leur taille ou leur composition, «à l'image d'une corde de guitare qui vibre différemment selon sa longueur», illustre la chercheuse. Cette vibration, propre à chaque type de molécule, fonctionne comme une «signature», qu'il est possible de «lire» lorsque la lumière est reflétée.

Cette technique, efficace dans un milieu sec, fonctionne très mal dans les milieux aqueux. «D'une part, il faut qu'un nombre important de molécules soient présentes si l'on veut parvenir à les détecter. Et d'autre part, l'environnement perturbe la détection, car lorsque le faisceau traverse la solution, les molécules d'eau vibrent elles aussi et interfèrent avec la signature de la cible», souligne Hatice Altug.

Les nanoparticules capturent et illuminent les molécules
Afin de contourner ces obstacles, les chercheurs ont mis au point un système capable d'isoler les cibles à analyser et d'éliminer les interférences.

L'ensemble du dispositif ressemble à une puce de la taille d'une pièce de monnaie, qui contient plusieurs chambres fluidiques larges et hautes de 100microns. Ces petites chambres sont couvertes sur un côté de minuscules particules d'or aux propriétés étonnantes. «Nous décorons la surface de ces nanoparticules avec des anticorps, par exemple, de façon à les rendre «collantes» pour certaines protéines ou produits chimiques», explique la chercheuse. Une fois que la chambre se remplit du liquide contenant les éléments ciblés, les nanoparticules jouent le rôle «d'attrape-molécules». Une technique qui permet d'isoler les cibles du reste du liquide.

Mais ce n'est pas la seule fonction de ces nanoparticules. Outre leur rôle de «kidnappeur», elles ont la capacité de concentrer la lumière autour de leur surface, grâce à un phénomène de «résonance plasmonique de surface».

Le faisceau n'a donc plus besoin de traverser toute la solution. Il est envoyé directement sur la nanoparticule, qui concentre la lumière. Prises au piège, les molécules-cibles sont les seules à être exposées aux photons.
L'interaction entre molécules et photons infrarouges est de ce fait extrêmement intense, ce qui permet une détection et une observation très précises. «Cette technique nous permet d'observer les molécules en train de faire et de défaire des liaisons avec des éléments qui flottent dans leur environnement naturel. C'est un atout important en ce qui concerne les domaine de la médecine et de la biologie», commente la scientifique.

Vers la recherche médicale
Autre avantage, la puce est compacte, et peut être «branchée» sur des microscopes déjà en fonction. «Nous n'avons pas non plus besoin de gros échantillons pour effectuer nos analyses», ajoute Ronen Adato.
Dans un futur proche, Hatice Altug entend poursuivre ses recherches, avec une orientation plus médicale. Les premiers tests ont été effectués avec des molécules anticorps ordinaires. Il s'agit maintenant de préciser les analyses. «J'aimerais beaucoup collaborer avec des chercheurs des sciences de la vie, avec des hôpitaux et des biologistes. Je suis notamment intéressée à utiliser ma méthode pour contribuer à la recherche sur les troubles neurologiques ou sur certaines maladies telles que le cancer. Nous pourrions notamment observer l'effet des médicaments sur des cellules cancéreuses, ou détecter des biomarqueurs de certaines maladies.»

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Plus d'informations :
In-Situ ultra-sensitive infrared absorption spectroscopy of biomolecule interactions in real time with plasmonic nano-antennas.