Des ingénieurs de l'Université de Californie à San Diego ont mis au point un appareil miniature suffisamment sensible pour ressentir les forces générées par les bactéries nageant et entendre le battement des cellules du muscle cardiaque.

L'appareil est une fibre optique de taille nanométrique qui est environ 100 fois plus fine qu'un cheveu humain. Il peut détecter des forces allant jusqu'à 160 femtonewtons - environ dix mille milliards de fois plus petites qu'un newton - lorsqu'il est placé dans une solution contenant des bactéries Helicobacter pylori vivantes, qui sont des bactéries nageuses présentes dans l'intestin. Dans des cultures de cellules musculaires cardiaques battantes de souris, la nanofibre peut détecter des sons jusqu'à -30 décibels, un niveau mille fois inférieur à la limite de l'oreille humaine.

"Ce travail pourrait ouvrir de nouvelles portes pour suivre les petites interactions et les changements qui ne pouvaient pas être suivis auparavant, " a déclaré le professeur de nano-ingénierie Donald Sirbuly à la UC San Diego Jacobs School of Engineering, qui a dirigé l'étude.

Certaines candidatures, il envisage, comprennent la détection de la présence et de l'activité d'une seule bactérie ; surveiller la formation et la rupture des liaisons ; détecter des changements dans le comportement mécanique d'une cellule qui pourraient signaler qu'elle devient cancéreuse ou qu'elle est attaquée par un virus ; ou un mini stéthoscope pour surveiller l'acoustique cellulaire in vivo.

L'ouvrage est publié dans Photonique de la nature le 15 mai.

La fibre optique développée par Sirbuly et ses collègues est au moins 10 fois plus sensible que le microscope à force atomique (AFM), un instrument qui peut mesurer des forces infiniment petites générées par des molécules en interaction. Et bien que les AFM soient des appareils encombrants, cette fibre optique n'a que quelques centaines de nanomètres de diamètre. "C'est un mini AFM avec la sensibilité d'une pince optique, " a déclaré Sirbuly.

L'appareil est fabriqué à partir d'une fibre extrêmement fine de dioxyde d'étain, revêtu d'une fine couche d'un polymère, appelé polyéthylène glycol, et parsemé de nanoparticules d'or. Pour utiliser l'appareil, les chercheurs plongent la nano fibre optique dans une solution de cellules, envoyer un faisceau de lumière dans la fibre et analyser les signaux lumineux qu'elle envoie. Ces signaux, en fonction de leur intensité, indiquent la force ou le son que la fibre capte des cellules environnantes.

"Nous ne sommes pas seulement capables de capter ces petites forces et ces sons, nous pouvons les quantifier à l'aide de cet appareil. Il s'agit d'un nouvel outil pour le sondage nanomécanique à haute résolution, " a déclaré Sirbuly.

Voici comment fonctionne l'appareil :lorsque la lumière se déplace le long de la fibre optique, il interagit fortement avec les nanoparticules d'or, qui diffusent ensuite la lumière sous forme de signaux visibles avec un microscope conventionnel. Ces signaux lumineux apparaissent à une intensité particulière. Mais cette intensité change lorsque la fibre est placée dans une solution contenant des cellules vivantes. Les forces et les ondes sonores des cellules frappent les nanoparticules d'or, en les poussant dans la couche de polymère qui les sépare de la surface de la fibre. Rapprocher les nanoparticules de la fibre leur permet d'interagir plus fortement avec la lumière descendant la fibre, augmentant ainsi l'intensité des signaux lumineux. Les chercheurs ont calibré l'appareil afin qu'ils puissent faire correspondre les intensités du signal à différents niveaux de force ou de son.

La clé pour faire ce travail est la couche de polymère de la fibre. Il agit comme un matelas à ressorts suffisamment sensible pour être comprimé à différentes épaisseurs par les faibles forces et les ondes sonores produites par les cellules. Et Sirbuly dit que la couche de polymère peut être ajustée - si les chercheurs veulent mesurer des forces plus importantes, ils peuvent utiliser un revêtement polymère plus rigide; pour une sensibilité accrue, ils peuvent utiliser un polymère plus mou comme un hydrogel.

Avancer, les chercheurs prévoient d'utiliser les nanofibres pour mesurer la bioactivité et le comportement mécanique de cellules individuelles. Les travaux futurs incluent également l'amélioration des capacités "d'écoute" des fibres pour créer des stéthoscopes biologiques ultra-sensibles, et régler leur réponse acoustique pour développer de nouvelles techniques d'imagerie.