Des ingénieurs de l'Ohio State University ont inventé un nouveau type de nanoparticule qui brille de différentes couleurs pour marquer les molécules dans les tests biomédicaux.
Ces minuscules nanoparticules de plastique sont remplies de morceaux encore plus petits d'électronique appelés points quantiques. Comme de petits feux de circulation, les particules brillent de mille feux en rouge, jaune, ou vert, afin que les chercheurs puissent facilement suivre les molécules au microscope.
C'est la première fois que quelqu'un crée des nanoparticules fluorescentes capables de changer de couleur en continu.
Jessica Winter, professeur assistant de génie chimique et biomoléculaire et de génie biomédical, et le chercheur Gang Ruan décrivent leur technologie en instance de brevet dans l'édition en ligne de la revue Lettres nano .
Les chercheurs marquent régulièrement les molécules avec des matériaux fluorescents afin de les voir au microscope. Contrairement aux molécules fluorescentes plus courantes, les points quantiques brillent très fort, et pourrait éclairer particulièrement bien les réactions chimiques, permettant aux chercheurs de voir le fonctionnement interne des cellules vivantes.
Un goulot d'étranglement pour lutter contre les principales maladies comme le cancer est le manque de compréhension au niveau moléculaire ou cellulaire des processus biologiques, les ingénieurs ont expliqué.
"Ces nouvelles nanoparticules pourraient être un excellent ajout à l'arsenal des ingénieurs biomédicaux qui tentent de trouver les racines des maladies, " dit Ruan.
"Nous pouvons adapter ces particules pour marquer des molécules particulières, et utilisez les couleurs pour suivre des processus que nous ne serions pas en mesure de suivre autrement, " continua-t-il. " Aussi, ce travail pourrait être révolutionnaire pour le domaine des nanotechnologies dans son ensemble, parce qu'il résout deux problèmes apparemment inconciliables avec l'utilisation de points quantiques."
Les points quantiques sont des morceaux de semi-conducteur qui ne mesurent que quelques nanomètres, ou des milliardièmes de mètre, de l'autre côté. Ils ne sont pas visibles à l'œil nu, mais quand la lumière brille sur eux, ils absorbent l'énergie et commencent à briller. C'est ce qui en fait de bons marqueurs pour les molécules.
En raison des effets de la mécanique quantique, les points quantiques « scintillent » – ils clignotent à des moments aléatoires. Quand plusieurs points se rejoignent, cependant, leur clignotement aléatoire est moins perceptible. Donc, de grands amas de points quantiques semblent briller d'une lumière constante.
Le clignotement a été un problème pour les chercheurs, car il brise la trajectoire d'une particule en mouvement ou d'une molécule marquée qu'ils essaient de suivre. Encore, le clignotement est également bénéfique, parce que lorsque les points se rejoignent et que le clignotement disparaît, les chercheurs savent avec certitude que les molécules marquées se sont agrégées.
"Clignote est bon et mauvais, " expliqua Ruan. " Mais un jour, nous avons réalisé que nous pouvions utiliser le 'bien' et éviter le 'mauvais' en même temps, en regroupant quelques points quantiques de couleurs différentes à l'intérieur d'une micelle."
Une micelle est un récipient sphérique de taille nanométrique, et tandis que les micelles sont utiles pour les expériences de laboratoire, on les trouve facilement dans les détergents ménagers – le savon forme des micelles qui captent les huiles dans l'eau. Ruan a créé des micelles en utilisant des polymères, avec différentes combinaisons de points quantiques rouges et verts à l'intérieur.
Dans les essais, il a confirmé que les micelles semblaient briller régulièrement. Ceux qui n'étaient remplis que de points quantiques rouges brillaient de rouge, et ceux farcis de vert brillaient de vert. Mais ceux qu'il a bourrés de points rouges et verts ont alterné du rouge au vert au jaune.
Le changement de couleur se produit lorsque l'un ou l'autre des points clignote à l'intérieur de la micelle. Lorsqu'un point rouge clignote et que le vert clignote, la micelle brille en vert. Lorsque le vert clignote et le rouge clignote, la micelle brille en rouge. Si les deux sont allumés, la micelle brille en jaune.
La couleur jaune est due à la perception de la lumière par nos yeux. Le processus est le même que lorsqu'un pixel rouge et un pixel vert apparaissent proches l'un de l'autre sur un écran de télévision ou d'ordinateur :nos yeux voient jaune.
Personne ne peut contrôler le moment où les changements de couleur se produisent à l'intérieur des micelles individuelles. Mais parce que les particules brillent continuellement, les chercheurs peuvent les utiliser pour suivre en continu les molécules marquées. Ils peuvent également surveiller les changements de couleur pour détecter le moment où les molécules se rassemblent.
Winter et Ruan ont déclaré que les particules pourraient également être utilisées dans la recherche en mécanique des fluides - en particulier, micro-fluidique. Les chercheurs qui développent de minuscules dispositifs médicaux dotés de canaux de séparation des fluides pourraient utiliser des points quantiques pour suivre le trajet du fluide.
La même équipe de recherche de l'État de l'Ohio développe également des particules magnétiques pour améliorer l'imagerie médicale du cancer, et il peut être possible de combiner le magnétisme avec la technologie des points quantiques pour différents types d'imagerie. Mais avant que les particules puissent être utilisées en toute sécurité dans le corps, ils devraient être faits de matériaux biocompatibles. Les nanomatériaux à base de carbone sont une option possible.
En attendant, Winter et Ruan vont continuer à développer les particules de points quantiques à changement de couleur pour l'étude des cellules et des molécules au microscope. Ils vont également explorer ce qui se passe lorsque des points quantiques d'une autre couleur - par exemple, bleu - sont ajoutés au mélange.
