Les chimistes pourraient-ils être prêts à abandonner le vénérable tube à essai, le symbole même de la chimie dans l'esprit de beaucoup de gens ? Peut-être pas encore tout à fait, mais Jack Beauchamp de Caltech y travaille.

Beauchamp travaille dans ce qu'il appelle la chimie "labo-en-goutte", dans lequel des réactions chimiques sont effectuées dans une goutte de liquide en suspension dans l'air par lévitation acoustique.

La lévitation acoustique fonctionne en créant des zones de haute et basse pression dans l'air grâce à l'utilisation de transducteurs à ultrasons. Ces transducteurs agissent comme des haut-parleurs minuscules mais puissants qui fonctionnent à une fréquence supérieure à ce que les oreilles humaines peuvent entendre. L'énergie sonique émise par ces transducteurs est focalisée de telle sorte que les zones de haute et basse pression qu'ils créent forment des « pièges » qui peuvent retenir de petits objets en place dans l'air. Un objet placé dans l'une des zones de basse pression y est retenu par les zones de haute pression qui l'entourent. Un lévitateur acoustique de ce type peut être construit pour environ 75 $ à partir de pièces standard en utilisant des techniques d'impression 3D.

Dans un nouveau journal, Beauchamp et ses collègues décrivent l'utilisation de la technique pour étudier comment un médicament contre le cancer de la peau agit au niveau chimique. La recherche, il dit, représente la première utilisation réussie de la lévitation acoustique comme réacteur « sans paroi » dans une étude détaillée des réactions chimiques.

Dans le travail, Beauchamp et son équipe ont enduit une goutte d'eau de lipides, biomolécules qui composent les membranes cellulaires. Ils ont ensuite appliqué un médicament anticancéreux sur la gouttelette et utilisé un spectromètre de masse pour « renifler » la signature chimique émise par la gouttelette alors que le médicament réagissait avec le lipide lorsqu'il était illuminé avec un pointeur laser rouge.

Dans l'expérience, les chercheurs ont ajouté une petite quantité de l'un des deux lipides, cardiolipine et POPG (1-palmitoyl-2-oléoyl-sn-glycéro-3-phospho-(1'-rac-glycérol)), à chaque goutte d'eau. Les lipides ont migré à la surface de la gouttelette, où ils se sont organisés pour former un film mince dont la composition est similaire à la membrane cellulaire d'une cellule vivante.

Une fois la membrane établie, un produit chimique appelé témoporfine a été ajouté à la gouttelette. Témoporfine, une molécule en forme d'anneau, est excité par la lumière rouge. Dans cet état, la témoporfine transfère de l'énergie à l'oxygène moléculaire, former un état électronique excité qui oxyde facilement les molécules avec lesquelles il entre en contact, y compris ceux qui composent les membranes cellulaires. Cela rend la témoporfine utile comme traitement pour certains cancers de la peau. Un médecin pourrait appliquer le médicament sur une lésion cancéreuse puis l'éclairer avec une lumière rouge, qui brille facilement à travers les tissus. Lorsque le composé est illuminé et excité, il oxyde les matériaux cellulaires vitaux, dont les lipides, protéines, et acides nucléiques, déclenchant la mort cellulaire.

C'est ce processus qui tue le cancer que Beauchamp voulait étudier. "Quand tu fais cette chimie, vous aimeriez pouvoir effectuer ces réactions dans des conditions où vous n'avez aucun contact du liquide avec des surfaces, " dit-il. " Nous atteignons cet objectif en effectuant de la chimie dans une gouttelette en lévitation. "

Le lévitateur acoustique a permis à Beauchamp et à son équipe de suspendre dans les airs une goutte d'eau de 1 millimètre contenant un mélange de lipide et de témoporfine. La gouttelette a ensuite été illuminée par une lumière laser rouge, excitant la témoporfine et l'amenant à oxyder les molécules de la couche membranaire.

Comme cette oxydation se produisait, une paire d'électrodes à haute tension placées près de la gouttelette a tiré des quantités infimes de matière hors de la gouttelette et dans le capteur d'un spectromètre de masse, qui a fourni des lectures qui ont permis aux chercheurs de déduire les structures moléculaires des composés dans la goutte. En surveillant continuellement ces lectures, les chercheurs ont pu voir comment les composés à la surface devenaient progressivement plus oxydés. En regardant ces produits de réaction, Beauchamp dit que l'équipe de recherche pourrait déterminer comment fonctionnent les processus d'oxydation.

"Pour autant que je sache, nous sommes les seuls à faire de la chimie sérieuse de cette façon, examinant la cinétique et le mécanisme des réactions impliquées », dit Beauchamp.

La lévitation acoustique pourrait également être utilisée dans d'autres domaines, il dit. Par exemple, il cite les recherches de Joe Parker de Caltech, professeur adjoint de biologie et de génie biologique qui étudie la relation symbiotique entre certaines espèces de fourmis et de coléoptères. Beauchamp dit qu'il serait possible de faire léviter une fourmi et un coléoptère à proximité l'un de l'autre, puis d'utiliser l'appareil pour analyser les phéromones qu'ils émettent.

La technique pourrait aussi avoir d'autres applications. Dans des études collaboratives avec John Seinfeld de Caltech, Professeur Louis E. Nohl de génie chimique, Beauchamp a précédemment révélé les détails de la chimie environnementale complexe qui conduit à la formation d'aérosols organiques dans l'atmosphère dans des études utilisant des gouttelettes suspendues à l'extrémité d'un capillaire. Avec la nouvelle méthodologie de lévitation, ce capillaire ne serait plus nécessaire.

L'article décrivant les recherches de Beauchamp, intitulé « Etude par spectrométrie de masse des gouttelettes en lévitation acoustique illumine le mécanisme au niveau moléculaire de la thérapie photodynamique pour le cancer impliquant l'oxydation des lipides, " apparaît dans le numéro du 23 avril de Angewandte Chemie .