Dans une nouvelle étude, les chercheurs ont montré que la lumière quantique peut être utilisée pour suivre les réactions enzymatiques en temps réel. Les travaux rassemblent la physique quantique et la biologie dans une étape importante vers le développement de capteurs quantiques pour des applications biomédicales.

Les molécules complexes connues sous le nom d'enzymes sont responsables de nombreux processus à l'intérieur de notre corps. Cependant, ils peuvent être difficiles à étudier avec des approches optiques car trop de lumière réduira leur activité ou même l'arrêtera complètement.

Dans la revue The Optical Society (OSA) Optique Express , un groupe multidisciplinaire de chercheurs a montré que la lumière contrôlée au photon unique, ou quantique, peut permettre des mesures précises sans perturber l'activité enzymatique.

« Même s'il faudra peut-être quelques années avant que des capteurs quantiques pratiques soient mis au point, ce type d'expérience de démonstration de principe est important, ", a déclaré Ilaria Gianani, chef de l'équipe de recherche de l'Università degli Studi Roma Tre en Italie. "Cela aide à identifier les domaines dans lesquels nous pouvons commencer à construire des connaissances partagées avec d'autres domaines et révèle où des progrès technologiques sont nécessaires pour progresser."

Contrôle à photon unique

Lors de l'étude de biomolécules, il est important d'éviter d'utiliser des niveaux de lumière qui pourraient altérer leurs propriétés ou leur comportement. Il peut être difficile d'y parvenir car de faibles niveaux de lumière peuvent ne pas fournir beaucoup d'informations et le bruit peut facilement surmonter le faible signal. Aujourd'hui, les enzymes sont étudiées avec des mesures effectuées sur des dosages prélevés sur l'échantillon principal pour éviter d'endommager l'échantillon avec la lumière. Cette procédure prend non seulement du temps, mais empêche également l'observation directe des enzymes en temps réel.

Les chercheurs ont surmonté ce problème en développant une configuration qui leur a permis de contrôler la lumière de manière extrêmement précise, au niveau d'un seul photon. Cela a permis d'utiliser un faible éclairage sans perturber les enzymes, avec le potentiel d'obtenir une meilleure sensibilité. La capacité d'adresser directement l'échantillon a également permis un suivi dynamique avec une résolution plus élevée.

"La clé de notre succès a été une collaboration entre des physiciens quantiques, qui savent gérer les photons, et biologistes, qui savent comment traiter avec les systèmes biologiques." a déclaré Gianani. "Bien qu'il ait été difficile d'échanger des idées au début, l'équipe a finalement grandi ensemble et développé un langage commun qui a aidé le travail à progresser en douceur. Cette collaboration n'aurait pas été possible sans la supervision du Prof. M. Barbieri, chercheur principal du Quantum Optics Group."

Suivi de l'activité enzymatique

Les chercheurs ont utilisé leur nouvelle technique pour suivre les changements dans la chiralité d'une solution de saccharose dus à l'activité d'une enzyme connue sous le nom d'invertase. Le suivi de la chiralité - la capacité d'une molécule donnée à faire pivoter la polarisation de la lumière - fournit des informations qui peuvent être utilisées pour déterminer combien de molécules de saccharose ont été traitées par les enzymes. Les expériences ont montré que la lumière quantique peut être utilisée pour sonder les activités enzymatiques en temps réel sans perturber l'échantillon.

"Ce travail n'est qu'un exemple de ce que les capteurs quantiques pourraient faire, " a déclaré Gianani. " Les capteurs quantiques pourraient être utilisés pour utiliser de manière optimale la lumière pour d'innombrables applications, dont l'imagerie biologique, détection de champ magnétique et même détection d'ondes gravitationnelles."

Les chercheurs disent qu'il y a certains aspects technologiques à aborder avant que leur approche ne devienne une méthode incontournable pour suivre les réactions enzymatiques. Par exemple, les pertes de lumière sont un facteur limitant fort, mais ils espèrent que leur travail contribuera à stimuler le développement technologique qui pourrait résoudre ce problème.