Suivi de la dynamique des biomolécules à l'aide d'antennes optofluidiques
Une méthode de mesure entièrement nouvelle et très efficace
Afin de mieux comprendre les processus fondamentaux des sciences de la vie au niveau moléculaire, l'observation précise de la dynamique d'une molécule unique est de la plus haute importance. Cependant, les techniques actuelles basées sur des mesures de fluorescence dans des solutions aqueuses sont incapables de suivre les changements dans la structure moléculaire avec une résolution temporelle suffisante. Des physiciens de l'Institut Max Planck pour la science de la lumière (MPL) ont maintenant réussi à développer une structure photonique connue de l'optique quantique - l'antenne optique planaire - pour l'utiliser dans des milieux aqueux afin de surveiller les processus dynamiques. Il est ainsi possible d'observer les changements de conformation de biomolécules individuelles avec la plus haute résolution temporelle.
Pour atteindre cette résolution, l'antenne dite "optofluidique" collecte les photons émis par les molécules fluorescentes individuelles avec une efficacité d'environ 85 %. Avec une telle efficacité, les chercheurs sont en mesure d'obtenir une résolution temporelle de l'ordre de la microseconde. Le dispositif peut être facilement intégré dans de nombreuses installations de microscopie existantes et constitue un outil supplémentaire permettant d'obtenir une résolution temporelle élevée en laboratoire.
L'étude de la dynamique interne complexe des biomolécules dans un environnement liquide avec une résolution de l'ordre de la molécule unique est d'un grand intérêt pour les sciences de la vie. Les mesures de fluorescence sont actuellement la technique de base pour déchiffrer les processus dynamiques rapides et lents. Dans ce cas, des sections spéciales des biomolécules sont marquées avec des molécules de colorants fluorescents. Lorsqu'elles sont excitées par une lumière laser, les changements de leur position les unes par rapport aux autres sont détectés en mesurant les photons émis. Toutefois, la méthode de collecte limite le nombre de photons de fluorescence pouvant être enregistrés par intervalle de temps, ce qui restreint la résolution temporelle.
Dans les travaux récemment publiés dans la revue Nature Communications, l'équipe dirigée par les professeurs Stephan Götzinger et Vahid Sandoghdar présente une méthode de mesure entièrement nouvelle et très efficace, basée sur des structures connues de l'optique quantique à l'état solide. Les physiciens ont développé le concept d'antenne optique planaire il y a environ 10 ans et, contrairement aux antennes optiques conventionnelles, une antenne planaire peut être réalisée sans nanostructures métalliques. Grâce à une modification astucieuse, les nouvelles antennes optofluidiques sont capables de collecter les photons émis par une seule biomolécule en solution avec une efficacité extrêmement élevée (85 %). L'antenne se compose d'un substrat en verre et d'une couche d'eau de plusieurs centaines de nanomètres d'épaisseur contenant les biomolécules à examiner. La fine couche d'eau est créée par une micropipette positionnée à quelques centaines de nanomètres au-dessus du substrat. En appliquant une pression définie, la forme du ménisque d'eau dans la pipette est contrôlée. La limite axiale de la couche d'eau force les molécules à diffuser à travers le centre du foyer laser et augmente ainsi la luminosité. L'antenne multiplie par cinq environ le signal de fluorescence des molécules. Dans le même temps, l'interface eau-air ralentit la diffusion des molécules, tandis que la géométrie de l'antenne augmente la probabilité qu'une molécule revienne au foyer. Les scientifiques du MPL démontrent les performances de l'antenne optofluidique en collaboration avec le groupe du professeur Claus Seidel, de l'université de Düsseldorf, en examinant le changement de conformité d'un ADN spécialement arrangé - la jonction quadridirectionnelle de l'ADN. Deux des pattes de la jonction sont marquées par une paire de transfert d'énergie par résonance de Förster (FRET), où le nombre de photons émis par chacun des deux partenaires FRET change en fonction de la distance entre les deux pattes. En utilisant les trajectoires FRET, les chercheurs ont pu prouver qu'un état conformationnel suspecté ne se produit pas et fournir une limite supérieure pour sa durée de vie. La nouvelle antenne peut suivre la dynamique du croisement quadripartite de l'ADN avec une résolution temporelle de quelques microsecondes seulement.
"Notre antenne optofluidique fonctionne si bien grâce à l'amélioration de l'efficacité de la collecte des photons provenant des molécules à diffusion plus lente dans le canal spatialement limité", explique le professeur Stephan Götzinger. "L'antenne est un dispositif puissant pour les recherches dans le domaine des sciences de la vie. Elle est non seulement facile à utiliser, mais elle peut aussi être facilement intégrée dans de nombreuses installations de microscopie existantes", ajoute le professeur Vahid Sandoghdar.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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