Les scientifiques du Laboratoire de physique attoseconde ont développé une technologie laser unique pour l'analyse de la composition moléculaire des échantillons biologiques. Il est capable de détecter des variations minimes dans la composition chimique des systèmes organiques.

Au niveau biochimique, les organismes peuvent être considérés comme des collections complexes de nombreuses espèces de molécules. Au cours de leur métabolisme, les cellules biologiques synthétisent des composés chimiques et les modifient de multiples façons. Beaucoup de ces produits sont libérés dans le milieu intercellulaire et s'accumulent dans les fluides corporels, y compris le sang. L'un des objectifs majeurs de la recherche biomédicale est de comprendre ce que ces mélanges de molécules extrêmement complexes peuvent nous dire sur l'état de l'organisme concerné. Tous les types cellulaires différenciés contribuent à cette « soupe ». Mais les cellules précancéreuses et malignes ajoutent leurs propres marqueurs moléculaires spécifiques, et ceux-ci fournissent les premières indications de la présence de cellules tumorales dans le corps.

Jusque là, cependant, très peu de ces molécules indicatrices ont été identifiées, et ceux qui sont connus apparaissent en quantités infimes dans les échantillons biologiques. Cela les rend extrêmement difficiles à détecter. Les chercheurs supposent que bon nombre des signatures moléculaires les plus informatives comprennent des combinaisons de composés qui appartiennent à tous les différents types de molécules trouvées dans les cellules - protéines, sucres, graisses et leurs divers dérivés. Pour les définir, les chercheurs ont besoin d'une méthode analytique unique qui soit suffisamment polyvalente et sensible pour détecter et mesurer leurs niveaux.

Une équipe interdisciplinaire dirigée par le professeur Ferenc Krausz a maintenant construit un nouveau système laser spécialement conçu à cet effet. Le groupe est basé au Laboratoire de Physique Attoseconde (LAP), qui est géré conjointement par Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) à Munich et le Max Planck Institute for Quantum Optics (MPQ), et il comprend des physiciens, biologistes et data scientists. Ce système permet aux chercheurs d'obtenir des empreintes chimiques sous forme de spectres infrarouges qui révèlent les compositions moléculaires d'échantillons de toutes sortes, y compris les échantillons d'origine biologique. La technique offre une sensibilité sans précédent et peut être utilisée pour toutes les classes connues de biomolécules.

Le nouveau spectromètre laser s'appuie sur des technologies initialement développées au LAP pour la production d'impulsions laser ultracourtes, qui sont utilisés pour étudier la dynamique ultrarapide des systèmes subatomiques. L'instrument, qui a été construit par le physicien Ioachim Pupeza et ses collègues, est conçu pour émettre des impulsions de lumière laser extrêmement puissantes qui couvrent un large segment du spectre dans la longueur d'onde infrarouge. Chacune de ces impulsions dure quelques femtosecondes (en notation scientifique 1 fs =10 ^-15 s, un millionième de milliardième de seconde). Ces flashs de lumière infrarouge extrêmement brefs font vibrer les liaisons qui relient les atomes entre eux. L'effet est analogue à celui d'un coup de diapason. Après le passage du pouls, les molécules vibrantes émettent une lumière cohérente à des longueurs d'onde hautement caractéristiques ou, de manière équivalente, fréquences d'oscillation. La nouvelle technologie permet de capter l'ensemble complet des longueurs d'onde émises. Étant donné que chaque composé distinct de l'échantillon vibre à un ensemble spécifique de fréquences, il apporte son propre « sous-spectre » bien défini à l'émission. Aucune espèce moléculaire n'a nulle part où se cacher.

"Avec ce laser, nous pouvons couvrir une large gamme de longueurs d'onde infrarouges - de 6 à 12 micromètres - qui stimulent les vibrations dans les molécules, " dit Marinus Huber, co-premier auteur de l'étude et membre du groupe de la biologiste Mihaela Zigman, qui a également participé aux expérimentations menées au LAP. "Contrairement à la spectroscopie de masse, cette méthode donne accès à tous les types de molécules présentes dans les échantillons biologiques, " elle explique.

Chacune des impulsions laser ultracourtes utilisées pour exciter les molécules ne se compose que de quelques oscillations du champ optique. De plus, la luminosité spectrale de l'impulsion (c'est-à-dire sa densité de photons) est jusqu'à deux fois plus élevée que celles générées par les synchrotrons classiques, qui ont jusqu'à présent servi de sources de rayonnement pour des approches comparables de la spectroscopie moléculaire. En outre, le rayonnement infrarouge est à la fois cohérent spatialement et temporellement. L'ensemble de ces paramètres physiques explique la sensibilité extrêmement élevée du nouveau système laser, permettant de détecter des molécules présentes à de très faibles concentrations et de produire des empreintes moléculaires de haute précision.

En outre, des échantillons de tissus vivants jusqu'à 0,1 mm d'épaisseur peuvent désormais être éclairés à la lumière infrarouge et analysés avec une sensibilité inégalée. Dans les premières expériences, l'équipe du LAP a appliqué la technique aux feuilles et autres cellules vivantes, ainsi que des échantillons de sang. « Cette capacité à mesurer avec précision les variations de la composition moléculaire des fluides corporels ouvre de nouvelles possibilités en biologie et en médecine, et à l'avenir, la technique pourrait trouver une application dans la détection précoce des troubles, " dit Zigman.