(Phys.org) -- Imaginez suivre un cerf à travers une forêt en attachant un émetteur radio à son oreille et en surveillant à distance l'emplacement du cerf. Imaginez maintenant que l'émetteur a la taille d'une maison, et vous comprenez le problème que les chercheurs peuvent rencontrer lorsqu'ils essaient d'utiliser des nanoparticules pour suivre les protéines dans les cellules vivantes.

Comprendre comment une protéine se déplace dans une cellule aide les chercheurs à comprendre la fonction de la protéine et les mécanismes cellulaires de fabrication et de traitement des protéines. Cette information aide également les chercheurs à étudier la maladie, ce qui au niveau cellulaire peut signifier qu'une protéine fonctionne mal, cesse d'être fait, ou est envoyé à la mauvaise partie de la cellule. Mais des sondes à nanoparticules trop grosses peuvent perturber les activités normales d'une protéine.

Maintenant une équipe de scientifiques dirigée par Bruce Cohen de la fonderie moléculaire du Laboratoire national Lawrence Berkeley, un centre de nanosciences du département américain de l'Énergie (DOE), a découvert comment faire pousser des nanocristaux électroluminescents suffisamment petits pour ne pas perturber l'activité cellulaire, mais suffisamment brillants pour être imagés un à la fois. Cohen est l'auteur correspondant d'un article dans le 16 février édition 2012 de ACS Nano décrivant cette œuvre intitulée, « Synthèse contrôlée et imagerie à particule unique de Bright, Nanocristaux de conversion ascendante dopés au lanthanide inférieurs à 10 nm. » Les coauteurs sont Alexis Ostrowski, Emory Chan, Daniel Gargas, Elan Katz, Gang Han, James Schuck, et Delia Milliron.

« Les scientifiques essaient depuis des années d'étudier le comportement des protéines en les marquant avec des sondes électroluminescentes, ", a déclaré Cohen. « Mais le problème est de trouver le bon type de sonde. Notre approche consiste à créer des sondes de nanoparticules de conversion ascendante suffisamment petites pour ne pas perturber le comportement des protéines. »

Faire une meilleure sonde

Autrefois, les chercheurs ont utilisé des molécules fluorescentes ou des points quantiques comme sondes. En utilisant des optiques et des microscopes à la pointe de la technologie, les chercheurs peuvent résoudre la lumière provenant de molécules uniques attachées à des protéines, qui leur indique où se trouve la protéine dans une cellule. Les molécules sondes dans ces expériences ont tendance à se dégrader ou à « photoblanchir » rapidement, limiter les chercheurs à quelques secondes d'imagerie continue ou à une série d'images prises à quelques secondes d'intervalle. Les sondes alternatives, points quantiques, souffrent moins du photoblanchiment, mais au lieu de cela, ils clignotent, limitant de la même manière leur utilité en tant que sondes.

L'équipe de la fonderie voulait éviter à la fois le clignement et le blanchiment, ils se sont donc tournés vers des nanocristaux de fluorure de sodium et d'yttrium (NaYF 4 ) avec des traces d'éléments lanthanides ytterbium et erbium, lequel, ils ont découvert, émettent lumineux, lumière constante idéale pour la bio-imagerie. Plus important, ces nanocristaux « upconvertissent » la lumière, absorbant les photons de basse énergie et les réémettant à des énergies plus élevées.

« En règle générale, lorsque quelque chose de fluorescent absorbe la lumière, il émet alors de la lumière à une énergie légèrement inférieure. La conversion ascendante va dans l'autre sens, augmentant réellement l'énergie de la lumière émise, », a déclaré Cohen. "Dans notre cas, nous sommes passionnants avec une lumière assez basse énergie, proche infrarouge (au-delà du rouge dans le spectre visible), puis les nanocristaux émettent de la lumière dans le domaine visible, comme le vert ou le rouge, qui est en fait plus énergétique.

L'avantage de la conversion ascendante des nanocristaux est que les cellules ne convertissent pas elles-mêmes la lumière. Normalement, lorsque les scientifiques imagent une cellule à l'aide de sondes moléculaires, ils utilisent la lumière de longueur d'onde visible pour exciter et imager. Malheureusement, beaucoup de choses dans la cellule réémettent également la lumière absorbée à ces longueurs d'onde, ce qui crée un bruit de fond dans l'image et oblige les scientifiques à utiliser plus de sondes et des sources lumineuses plus lumineuses. Avec des nanocristaux de conversion ascendante, les chercheurs peuvent stimuler doucement avec la lumière infrarouge et regarder la lumière visible à partir de sondes uniques qui se dressent clairement sur un fond sombre.

« L'autre avantage de la conversion ascendante des nanocristaux est que la lumière proche infrarouge est beaucoup moins dommageable pour les cellules que, dire, lumière visible ou ultraviolette, ", a déclaré Cohen. « Cela signifie que lorsque nous effectuons ces très longues expériences d'imagerie en utilisant des puissances lumineuses intenses pour voir des molécules uniques, nous utilisons des longueurs d'onde assez inoffensives pour les cellules.

Une solution combinatoire

Nanocristaux de NaYF 4 peut se former dans deux géométries différentes appelées alpha et bêta. Les nanocristaux en phase bêta sont plus efficaces à la conversion ascendante et donc meilleurs pour la bio-imagerie, mais ils sont aussi plus difficiles à cultiver. Afin de définir les paramètres de croissance pour obtenir un bêta-NaYF reproductible 4 nanocristaux, l'équipe a utilisé le robot WANDA de Molecular Foundry - la station de travail pour la découverte et l'analyse automatisées des nanomatériaux - développé par Emory Chan et Delia Milliron du Berkeley Lab.

« Rien de tout cela ne serait possible sans être capable de faire ce que nous, à la Fonderie, appelons la nanoscience combinatoire. Fondamentalement, cela signifie exécuter de nombreuses réactions différentes dans WANDA pour apprendre à contrôler la taille ou la couleur des nanoparticules, ", a déclaré Cohen. "Nous avons eu des milliers de réactions différentes pour apprendre à faire pousser ces choses."

Des nanoparticules plus petites signifient moins de lumière, l'équipe a donc dû trouver le bon endroit :

À quel point pourraient-ils les fabriquer tout en étant capables d'imager des nanocristaux individuels dans un système vivant ? "C'est l'un des avantages d'avoir ce contrôle, c'est que nous pouvons non seulement les réduire, dire, 5 nanomètres, mais nous connaissons aussi les conditions pour les agrandir s'il faut les rendre plus lumineux, », a déclaré Cohen.

Pour aider à comprendre la géométrie de leurs nanocristaux, le coauteur James Schuck a demandé à un stagiaire d'été de créer un modèle informatique de la structure cristalline. Andrew Mueller, un lycéen de Vistamar School à Los Angeles, allait bien au-delà d'une simple structure cristalline.

« J'ai commencé par assembler des formes en fonction de ce qui se trouvait dans la littérature sur le cristal, ", a déclaré Mueller. « Ensuite, j'ai voulu montrer à quoi cela ressemblait dans un nanocristal, alors j'ai déplacé la caméra dans la structure et j'ai montré comment les atomes se réunissent dans un nanocristal. photon.

« La vidéo est une bonne réponse à la question, Qu'est-ce qu'un nanocristal ? », a déclaré Cohen. "Vous pouvez voir qu'il ne s'agit en réalité que de quelques centaines ou peut-être de quelques milliers d'atomes dans un nanocristal, disposés en petits, modèles réguliers.

Prochain, l'équipe veut mettre en action les nanocristaux à conversion ascendante et cartographier réellement des protéines uniques se déplaçant à travers une cellule. « L'une des choses que nous aimerions étudier est la façon dont deux neurones se réunissent, comment deux cellules cérébrales se réunissent pour former une synapse - les espaces entre les neurones responsables de toute l'activité cérébrale, », a déclaré Cohen. "On sait qu'il y a certaines paires de protéines qui se réunissent à partir de deux neurones et elles se trouvent et forment une synapse mais la question est, de combien en avez-vous besoin ? Combien de paires de protéines ? Une seule interaction suffit-elle pour provoquer la formation d'une synapse, se renversent-ils, et ainsi de suite? Maintenant que nous savons comment fabriquer exactement les nanoparticules que nous voulons, la prochaine étape consiste à les tester dans une cellule.

Ce travail a été soutenu par le U.S. Department of Energy Office of Science.