Chaque cellule humaine est enfermée dans une membrane lipidique de cinq nanomètres d'épaisseur qui la protège du milieu environnant. Comme un gardien, la membrane détermine quels ions et molécules peuvent traverser. En faisant ainsi, il assure le bien-être et la stabilité de la cellule et lui permet de communiquer via des signaux électriques.

Des chercheurs du Laboratoire de biophotonique fondamentale (LBP) de l'École d'ingénieurs de l'EPFL ont pu suivre ces charges en mouvement en temps réel de manière totalement non invasive. Plutôt que d'observer les membranes elles-mêmes, ils ont regardé les molécules d'eau environnantes, lequel, en plus de garder la membrane intacte, changer d'orientation en présence de charges électriques. Donc en 'lisant' leur position, les chercheurs ont pu créer une carte dynamique de la façon dont les charges sont transportées à travers une membrane.

La méthode des chercheurs vient d'être publiée dans la revue Actes de l'Académie nationale des sciences ( PNAS ). Cela pourrait faire la lumière sur le fonctionnement des canaux ioniques, ainsi que d'autres processus à l'œuvre dans les membranes. Cette méthode cliniquement viable pourrait également être utilisée pour suivre directement l'activité ionique dans les neurones, ce qui permettrait d'approfondir les connaissances des chercheurs sur le fonctionnement des cellules nerveuses. "Les molécules d'eau peuvent être trouvées partout où il y a des membranes lipidiques, qui ont besoin de ces molécules pour exister, " dit Sylvie Roke, chef de la LBP. "Mais jusqu'à maintenant, la plupart des études sur les membranes n'ont pas examiné ces molécules. Nous avons montré qu'ils contiennent des informations importantes."

Les chercheurs l'ont fait en utilisant un microscope de seconde harmonique unique qui a été inventé au LBP. L'efficacité d'imagerie de ce microscope est de plus de trois ordres de grandeur supérieure à celle des microscopes à seconde harmonique existants. Avec ce microscope, les chercheurs ont obtenu des images de molécules d'eau à une échelle de temps de 100 millisecondes.

Sonder l'hydratation des membranes lipidiques, les chercheurs associent deux lasers de même fréquence (impulsions femtosecondes) dans un processus qui génère des photons de fréquence différente :c'est la lumière de seconde harmonique. Il n'est généré qu'aux interfaces et révèle des informations sur l'orientation des molécules d'eau. "On peut observer ce qui se passe in situ, et nous n'avons pas besoin de modifier l'environnement ou d'utiliser des marqueurs volumineux comme les fluorophores qui perturberaient le mouvement des molécules d'eau, " dit Orly Tarun, l'auteur principal de la publication.

Avec cette méthode, les chercheurs ont observé des fluctuations de charge dans les membranes. De telles fluctuations étaient auparavant inconnues et suggèrent un comportement chimique et physique beaucoup plus complexe que ce qui est actuellement considéré.