Lire l'activité électrique des membranes avec des molécules d'eau

Epaisses de 5 nanomètres, les membranes lipidiques entourent chaque cellule du corps humain, faisant figure de barrières entre la cellule et son environnement. A l’image d’un portier, la membrane régule le passage des ions et des molécules. Elle garantit le bien-être et la stabilité de la cellule, et lui permet de communiquer à l’aide de signaux électriques.

A l’EPFL, des chercheurs du Laboratoire de BioPhotonique fondamentale (LBP) de la Faculté des sciences et techniques de l’ingénieur (STI) de l’EPFL ont pu traquer ces mouvements de charges en temps réel, et de façon totalement non-invasive. Ils ont pris le parti d’observer non pas les membranes en elles-mêmes, mais les molécules d’eau qui les entourent. Ces molécules d’eau, qui maintiennent la membrane intacte, changent d’orientation en présence de charges électriques. En « lisant » leur position, il est possible d’établir une carte dynamique du transport des charges au sein de la membrane.

La méthode a été publiée dans le journal Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS). Elle constitue un outil de compréhension unique du fonctionnement des canaux ioniques, et autres phénomènes se produisant dans les membranes. Cliniquement viable, elle pourrait potentiellement être directement utilisée pour observer l’activité des ions dans les neurones. De quoi approfondir la compréhension du fonctionnement des cellules nerveuses. «Les molécules d’eau sont présentes partout où se trouvent des membranes lipidiques, car elles sont indispensables à l’existence même des membranes», commente Sylvie Roke, directrice du LBP. «Pourtant, jusqu’ici, la plupart des études sur les membranes ne se sont pas intéressées à ces molécules. Nous avons démontré qu’elles contiennent des informations importantes.»

Les chercheurs utilisent un microscope unique de seconde harmonique, inventé au sein même du LBP. Il présente des performances en imagerie qui sont environ 1000 fois supérieures à celles des microscopes de seconde harmonique classiques. Il permet d’observer les molécules d’eau avec un temps d’enregistrement de l’image de seulement 100 millisecondes.

Pour sonder l’hydratation des membranes, on envoie sur les membranes lipidiques deux lasers d’une fréquence donnée (impulsions femtoseconde) qui se superposent, entraînant la génération de photons d’une fréquence différente: la lumière de seconde harmonique. La génération de seconde harmonique se produit uniquement aux interfaces, et renseigne sur l’orientation des molécules d’eau. «Nous n’avons pas besoin de modifier l’environnement, ni d’utiliser des marqueurs tels que les fluorophores, qui seraient susceptibles de perturber le mouvement des molécules d’eau», précise Orly Tarun, premier auteur de la publication. « Les phénomènes sont observés in situ ».

Des fluctuations de charges inattendues
Avec cette méthode, les chercheurs ont déjà pu identifier dans les membranes des fluctuations de charges dont on ignorait jusqu’ici l’existence. Ces fluctuations laissent à penser qu’il se produit à cet endroit des phénomènes physico-chimiques bien plus complexes que ce que l’on considère actuellement.