Des nanoparticules de triangle d'or appariées bout à bout dans une formation de nœud papillon, servir d'antennes optiques. Lorsqu'une protéine (verte) liée à un catalyseur SOS marqué par fluorescence traverse les espaces entre les pointes opposées des triangles (points chauds plasmoniques), la fluorescence est amplifiée. Crédit :(Image de Groves, et. Al., Laboratoire de Berkeley)
Au cœur du système immunitaire qui protège notre corps contre les maladies et les envahisseurs étrangers se trouve un réseau de communication vaste et complexe impliquant des millions de cellules, envoyer et recevoir des signaux chimiques qui peuvent signifier la vie ou la mort. Au cœur de ce vaste réseau de signalisation cellulaire se trouvent des interactions entre des milliards de protéines et d'autres biomolécules. Ces interactions, à son tour, sont fortement influencées par la structuration spatiale des molécules de signalisation et de récepteur. La capacité d'observer les modèles spatiaux de signalisation dans le système immunitaire et d'autres systèmes cellulaires au fur et à mesure de leur évolution, et d'étudier l'impact sur les interactions moléculaires et, finalement, communication cellulaire, serait un outil essentiel dans la lutte contre les troubles immunologiques et autres qui conduisent à un large éventail de problèmes de santé, y compris le cancer. Un tel outil est désormais à portée de main.
Des chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du département américain de l'Énergie (DOE) et de l'Université de Californie (UC) Berkeley, ont développé la première application pratique des nanoantennes optiques en biologie des membranes cellulaires. Une équipe scientifique dirigée par le chimiste Jay Groves a mis au point une technique de laçage de membranes lipidiques artificielles avec des milliards de nano-antennes "nœud papillon" en or. Par le phénomène connu sous le nom de « plasmonique, " ces nanoantennes peuvent augmenter l'intensité d'un signal optique fluorescent ou Raman d'une protéine traversant un " point chaud " plasmonique des dizaines de milliers de fois sans que la protéine ne soit jamais touchée.
"Notre technique est peu invasive car l'amélioration des signaux optiques est obtenue sans que les molécules n'interagissent directement avec la nanoantenne, " dit Groves. " Il s'agit d'une amélioration importante par rapport aux méthodes qui reposent sur l'adsorption de molécules directement sur des antennes où leur structure, orientation, et les comportements peuvent tous être modifiés."
Groves occupe des postes conjoints avec la division des biosciences physiques de Berkeley Lab et le département de chimie de l'UC Berkeley, et est également chercheur au Howard Hughes Medical Institute. Il est l'auteur correspondant d'un article qui rapporte ces résultats dans la revue Lettres nano . L'article s'intitule "Suivi de molécule unique sur des membranes supportées avec des réseaux de nano-antennes optiques". Les co-auteurs de l'article étaient Theo Lohmuller, Lars Iversen, Marc Schmidt, Christophe Rhodes, Hsiung-Lin Tu et Wan-Chen Lin.
Un réseau de nanoparticules d'or en forme de triangles appariées en formation pointe à pointe, comme un nœud papillon, peuvent servir d'antennes optiques, capter et concentrer les ondes lumineuses dans des points chauds bien définis, où l'effet plasmonique est fortement amplifié. Crédit :(Image de Groves, et. Al., Laboratoire de Berkeley)
Émissions fluorescentes, dans lequel les biomolécules d'intérêt sont marquées avec des colorants fluorescents lorsqu'ils sont stimulés par la lumière, et spectroscopie Raman, dans lequel la diffusion de la lumière par des vibrations moléculaires est utilisée pour identifier et localiser des biomolécules, sont des techniques d'imagerie optique de pointe dont la valeur a été encore renforcée par l'émergence de la plasmonique. En plasmonique, les ondes lumineuses sont comprimées dans des zones de dimensions inférieures à la moitié de la longueur d'onde des photons incidents, permettant d'appliquer des techniques d'imagerie optique à des objets nanométriques tels que des biomolécules. Des particules d'or de taille nanométrique dans le
forme de triangles qui sont appariés dans une formation pointe à pointe, comme un nœud papillon, peuvent servir d'antennes optiques, capter et concentrer les ondes lumineuses dans des points chauds bien définis, où l'effet plasmonique est fortement amplifié. Bien que le concept soit bien établi, l'appliquer aux études biomoléculaires a été un défi car les matrices de particules d'or doivent être fabriquées avec un espacement nanométrique bien défini, et les molécules d'intérêt doivent être livrées aux points chauds plasmoniques.
« Nous sommes capables de fabriquer des milliards de nanoantennes en or dans une membrane artificielle grâce à une combinaison de lithographie colloïdale et de traitement au plasma, " dit Groves. " L'espacement contrôlé des espaces des nanoantennes est obtenu en tirant parti du fait que les particules de polystyrène fondent ensemble à leur point de contact pendant le traitement au plasma. Le résultat est un espacement bien défini entre chaque paire de triangles d'or dans le réseau final avec une distance de pointe à pointe entre les nanotriangles d'or voisins mesurant dans la plage de 5 à 100 nanomètres. »
Jusqu'à maintenant, Groves dit, il n'a pas été possible de découpler la taille des nanotriangles d'or, qui détermine leur fréquence de résonance des plasmons de surface, de la distance de pointe à pointe entre les caractéristiques individuelles des nanoparticules, qui est responsable de l'amélioration de l'effet plasmonique. Avec leur approche de la lithographie colloïdale, une monocouche hexagonale auto-assemblée de sphères polymères est utilisée pour masquer un substrat pour le dépôt ultérieur des nanoparticules d'or. Lorsque le masque colloïdal est retiré, ce qui reste, ce sont de grands réseaux de nanoparticules d'or et de triangles sur lesquels la membrane artificielle peut être formée.
Jay Groves est un chimiste qui a des rendez-vous avec Berkeley Lab, UC Berkeley et HHMI. Crédit :(Photo de Roy Kaltschmidt, Laboratoire de Berkeley)
Les membranes artificielles uniques, que Groves et son groupe de recherche ont développé plus tôt, sont une autre clé du succès de cette dernière réalisation. Fabriqué à partir d'une bicouche fluide de molécules lipidiques, ces membranes sont les premières plates-formes biologiques qui peuvent combiner des nanostructurations fixes avec la mobilité des bicouches fluides. Ils offrent une capacité sans précédent pour l'étude de la façon dont les modèles spatiaux des propriétés chimiques et physiques sur les surfaces membranaires influencent le comportement des cellules.
"Lorsque nous intégrons nos membranes artificielles avec des nanoantennes en or, nous pouvons tracer les trajectoires des protéines individuelles à diffusion libre lors de leur passage séquentiel et sont renforcées par les multiples espaces entre les triangles, " dit Groves. " Cela nous permet d'étudier un système réaliste, comme une cellule, qui peut impliquer des milliards de molécules, sans le piégeage statique des molécules."
Comme les molécules dans les cellules vivantes sont généralement dans un état de mouvement perpétuel, c'est souvent leur mouvement et leurs interactions avec d'autres molécules plutôt que des positions statiques qui déterminent leurs fonctions au sein de la cellule. Groves dit que toute technique nécessitant l'adsorption directe d'une molécule d'intérêt sur une nanoantenne supprime intrinsèquement cette molécule de l'ensemble fonctionnel qui est l'essence de son comportement naturel. La technique que lui et ses co-auteurs ont développée leur permet d'examiner des biomolécules individuelles mais dans le contexte de leur communauté environnante.
"The idea that optical nanoantennas can produce the kinds of enhanced signals we are observing has been known for years but this is the first time that nanoantennas have been fabricated into a fluid membrane so that we can observe every molecule in the system as it passes through the antenna array, " Groves says. "This is more than a proof-of-concept we've shown that we now have a useful new tool to add to our repertoire."
