La détection des forces physiques est l'un des défis les plus complexes auxquels la science est confrontée. Bien que Newton ait résolu le problème de la gravité il y a longtemps, imager les forces physiques qui agissent au sein des cellules vivantes reste l'un des principaux mystères de la biologie actuelle. Considéré comme jouant un rôle décisif dans de nombreux processus biologiques, les outils chimiques pour visualiser les forces physiques en action n'existent pas. Mais aujourd'hui, des chercheurs de l'Université de Genève (UNIGE) et du Pôle National de Recherche (PRN) en Biologie Chimique, La Suisse, ont développé des sondes capables d'entrer dans les cellules et d'imager des forces physiques vivantes. Ces résultats, un tournant dans l'étude des sciences de la vie, peut être trouvé dans le Journal de l'American Chemical Society .

Depuis sa création en 2010, l'un des objectifs centraux du PRN Biologie Chimique a été de résoudre le problème de la détection des forces physiques cellulaires. "Notre approche pour créer des sondes de tension a été inspirée par le changement de couleur des crevettes, crabes ou homards pendant la cuisson, " dit Stefan Matile, professeur au Département de chimie organique de la Faculté des sciences de l'UNIGE et membre du PRN.

Dans les crevettes vivantes, les forces physiques des protéines environnantes aplatissent et polarisent le pigment caroténoïde, appelé astaxanthine, jusqu'à ce qu'il devienne bleu. « Pendant la cuisson, ces protéines sont dépliées et le pigment de homard peut retrouver sa couleur orange foncé naturelle, " poursuit le chimiste genevois. Intrigué par ces crustacés, la mise au point de sondes fluorescentes fonctionnant sur le même principe de planarisation et de polarisation a nécessité environ huit années de recherche.

L'année dernière, les équipes du PRN ont enfin produit la première sonde fluorescente capable d'imager les forces agissant sur la membrane externe, appelée membrane plasmique, de cellules vivantes. Les demandes d'échantillons de plus de 50 laboratoires à travers le monde sont venues en réponse immédiate à la publication de ces résultats, démontrant l'importance de cette percée pour les sciences de la vie. Pour répondre à cette demande, Les sondes de force de l'UNIGE ont été lancées sous la marque Flipper-TR à la fin de l'année dernière.

Qu'en est-il des forces internes des cellules?

L'étude des forces qui s'appliquent à l'extérieur des cellules ne se limite pas aux outils chimiques d'imagerie de fluorescence. Les surfaces cellulaires sont accessibles aux outils physiques comme les micropipettes, pinces optiques, cantilevers de microscopes à force atomique, etc. "Mais ces outils physiques ne sont évidemment pas applicables à l'étude des forces à l'intérieur des cellules, " dit Aurélien Roux, professeur au Département de biochimie de la Faculté des sciences de l'UNIGE. "Les organites comme les mitochondries, responsable de la production d'énergie; le réticulum endoplasmique, responsable de la synthèse des protéines; endosomes, responsable du trafic de matériel vers et à l'intérieur des cellules ; ou le noyau, qui stocke l'information génétique, sont tout simplement hors de portée des outils physiques de l'extérieur." Jusqu'à aujourd'hui, la visualisation des forces qui opèrent et contrôlent ces organites à l'intérieur des cellules était encore impossible, bien qu'essentiel pour comprendre leur fonction.

Ce défi fondamental des sciences de la vie est désormais relevé. L'équipe du PRN, dirigé par Stefan Matile, Aurélien Roux et Suliana Manley, professeur à l'Institut de physique de l'EPFL, également membre du PRN, ont transporté leurs sondes de force dans les cellules et marqué sélectivement les organites cellulaires. Ils sont maintenant capables de montrer, par exemple, comment la tension monte dans les mitochondries qui commencent à se diviser. "Pour la toute première fois, les forces physiques peuvent être visualisées en direct à l'intérieur des cellules, " précise Aurélien Roux. Ce nouvel outil de la chimie permet enfin aux scientifiques de réaliser ce qu'ils souhaitent faire depuis très longtemps. " Ces nouvelles sondes nous offrent désormais l'opportunité d'aborder la mécanobiologie et de révolutionner l'étude des sciences du vivant, " dit Stefan Matile.