Faire progresser nos connaissances en biologie moléculaire et cellulaire implique de comprendre comment les biomolécules interagissent les unes avec les autres. Quel biologiste n’a jamais rêvé d’observer les réactions enzymatiques au cœur même de la cellule ? Avec la méthode de détection moléculaire mise au point par une équipe internationale associant des chercheurs de l’Institut Fresnel1, à Marseille, et de l’Institut de sciences photoniques de Barcelone, ce rêve pourrait bientôt devenir réalité.

Un dispositif ingénieux qui s’appuie sur la fluorescence des molécules

Le fonctionnement de cet ingénieux dispositif baptisé antenna-in-box (l’antenne dans une boîte), décrit dans un article scientifique publié en juillet 20132, s’appuie sur la fluorescenceFermerPropriété qu’ont certaines molécules d’absorber la lumière et de la réémettre sous forme de rayonnement de longueur d’onde plus grande. émise par une molécule isolée. « Observer au microscope optique la structure d’une cellule vivante revient à capter la lumière renvoyée par l’ensemble des molécules qui la composent, rappelle Jérôme Wenger, physicien à l’Institut Fresnel et coauteur de ces travaux. Détecter une molécule unique s’avère, en revanche, bien plus compliqué compte tenu de la très faible quantité de lumière qu’elle émet. »

Pour relever ce défi, le chercheur et son équipe ont eu l’idée de concevoir une sorte d’amplificateur de luminosité de dimension nanométrique. Cette nano-antenne optique, constituée de deux hémisphères en or de 80 nanomètres de diamètre, permet de concentrer la lumière dans l’espace d’une dizaine de nanomètres (la taille moyenne d’une molécule) qui sépare les hémisphères. « Lorsqu’une molécule vient se positionner entre ces deux hémisphères, l’intensité de la fluorescence qu’elle émet est décuplée et rend possible son observation au microscope optique », explique le chercheur de l’Institut Fresnel.

L’idée : insérer un amplificateur de luminosité dans une nanoboîte

Pour tester l’efficacité de leur dispositif, les scientifiques ont utilisé des échantillons 4 000 fois plus petits que ceux habituellement employés en microscopie optique, chacun contenant des dizaines de millions de molécules. Car, comme le précise Jérôme Wenger, « en travaillant sur d’aussi faibles volumes renfermant pléthore de molécules, on peut s’approcher au plus près du contexte physiologique d’une cellule vivante ». Repérer une seule molécule dans de telles conditions revient alors à chercher une aiguille dans une meule de foin…

Les chercheurs ont toutefois trouvé la parade en insérant leur dispositif de détection dans une chambre à réaction de taille nanométrique. En faisant barrage au signal lumineux des millions de molécules environnantes, cette enceinte protectrice a permis de révéler pleinement le signal lumineux de chaque molécule accrochée à une nano-antenne optique. « Nous avons testé notre dispositif sur un éventail de biomolécules allant de la petite molécule cellulaire à la grosse protéine en passant par des brins d’ADN de taille variable, détaille le physicien. Pour les plus petites d’entre elles, nous sommes parvenus à améliorer la luminosité de fluorescence d’un facteur supérieur à 1 000 pour un volume de détection proche de celui d’un virus. »

Encouragée par ces résultats qui témoignent de l’efficacité du dispositif de détection à l’échelle de la cellule, l’équipe de Jérôme Wenger s’est déjà fixé un nouvel objectif : déposer une membrane cellulaire sur une antenna-in-box pour y étudier l’interaction entre molécules. Et déterminer ainsi les voies d’entrée de substances chimiques, voire même observer pour la première fois les cascades de réactions enzymatiques qui s’y produisent.