Une molécule, dont le chemin tracé dans le temps est matérialisé par la ligne bleue, se promène parfois dans une région verte brillamment éclairée. Au sein de cette région, la molécule est excitée et commence à émettre une lumière d'une longueur d'onde différente que l'on peut distinguer de la lumière verte. Cette lumière émise rend compte du comportement de la molécule. Crédit :Steve Presse
En chimie au lycée, nous avons tous appris sur les réactions chimiques. Mais qu'est-ce qui rapproche deux molécules qui réagissent ? Comme nous l'a expliqué Einstein, c'est le mouvement aléatoire de molécules inertes entraîné par le bombardement de molécules de solvant. S'ils sont suffisamment rapprochés, par hasard, ces molécules peuvent réagir.
La capture du mouvement de molécules individuelles est réalisée par une méthode connue sous le nom de spectroscopie de corrélation de fluorescence (FCS). Le piège ? Il faut de très nombreuses détections de particules lumineuses, photons, émis par des molécules uniques pour obtenir une image claire du mouvement moléculaire.
Pour illustrer, pensez à un sondage politique. À tout moment dans un cycle de campagne, les sondages sont utilisés pour prédire le résultat d'une élection à venir. Mais combien d'électeurs devons-nous interroger pour obtenir une prédiction précise et, étant donné que les informations de sondage sont urgentes, à quelle vitesse pouvons-nous sonder les tendances politiques de la nation ? Demander à chaque électeur dans chaque État donnerait des résultats précis mais serait trop coûteux en temps et en argent. Pour des raisons pratiques, nous devons prélever un échantillon d'électeurs et exploiter efficacement toutes les informations contenues dans cet échantillon. Les électeurs dans cette illustration sont nos photons proverbiaux ici.
Les longs délais nécessaires pour acquérir des données dans FCS sont tout comme la stratégie de sondage naïve mise en évidence précédemment. Cela prend trop de temps, et la chimie que nous nous soucions d'apprendre est peut-être déjà faite. Par ailleurs, exposer des échantillons au laser pendant de longues périodes peut entraîner des dommages photochimiques des molécules à l'étude, empêchant l'utilisation généralisée du FCS dans la recherche biologique.
"Les techniques de fluorescence à molécule unique ont révolutionné notre compréhension de la dynamique de nombreux processus moléculaires critiques, mais les signaux sont intrinsèquement bruités et les expériences nécessitent des temps d'acquisition longs, " expliqua Marcia Levitus, professeur agrégé à la Faculté des sciences moléculaires et au Biodesign Institute.
Ce travail s'appuie sur de nouveaux outils issus de la science des données afin de faire compter chaque photon détecté et d'affiner notre image du mouvement moléculaire.
« De nouveaux outils mathématiques permettent de penser des expériences anciennes mais puissantes sous un nouveau jour, " a déclaré Steve Pressé, auteur principal de l'étude et professeur adjoint au Département de physique et à l'École des sciences moléculaires de l'ASU de l'Arizona State University.
Un article publié dans Communication Nature par Pressé et ses collaborateurs aborde désormais ces problématiques à l'aide d'outils issus de la science des données et, plus précisement, Non-paramétrique bayésienne—un type d'outil de modélisation statistique jusqu'à présent largement utilisé en dehors des sciences naturelles. Levitus ajoute "Les anciennes stratégies limitaient notre capacité à sonder autre chose que des processus lents, laissant hors de portée un grand nombre de questions biologiques intéressantes impliquant des réactions chimiques plus rapides. Nous pouvons maintenant commencer à poser des questions sur les processus résolus en peu de temps."
