Une structure d'ADN vue à travers le microscope électronique 4D inventé à Caltech. Crédit :Zewail &Lorenz/Caltech
(Phys.org)—Chaque grande structure, de l'Empire State Building au Golden Gate Bridge, dépend de propriétés mécaniques spécifiques pour rester solide et fiable. La rigidité - la rigidité d'un matériau - est d'une importance particulière pour maintenir la fonctionnalité robuste de tout, des édifices colossaux à la plus petite des structures à l'échelle nanométrique. Dans les nanostructures biologiques, comme les réseaux d'ADN, il a été difficile de mesurer cette rigidité, ce qui est essentiel à leurs propriétés et fonctions. Mais des scientifiques du California Institute of Technology (Caltech) ont récemment développé des techniques pour visualiser le comportement des nanostructures biologiques à la fois dans l'espace et dans le temps, leur permettant de mesurer directement la rigidité et de cartographier sa variation à travers le réseau.
La nouvelle méthode est décrite dans la première édition du 4 février du Actes de l'Académie nationale des sciences ( PNAS ).
"Ce type de visualisation nous emmène dans des domaines des sciences biologiques que nous n'avons pas explorés auparavant, ", déclare le prix Nobel Ahmed Zewail, le professeur de chimie Linus Pauling et professeur de physique à Caltech, qui a co-écrit l'article avec Ulrich Lorenz, un chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Zewail. "Nous fournissons la méthodologie pour découvrir directement la rigidité d'un réseau biologique qui a des propriétés à l'échelle nanométrique."
Connaître les propriétés mécaniques des structures d'ADN est crucial pour construire des réseaux biologiques solides, entre autres applications. Selon Zewail, ce type de visualisation de la biomécanique dans l'espace et le temps devrait être applicable à l'étude d'autres nanomatériaux biologiques, y compris les assemblages protéiques anormaux qui sous-tendent des maladies comme la maladie d'Alzheimer et la maladie de Parkinson.
Zewail et Lorenz ont pu voir, pour la première fois, le mouvement des nanostructures d'ADN dans l'espace et dans le temps à l'aide du microscope électronique à quatre dimensions (4D) développé au Centre de biologie physique de Caltech pour la science et la technologie ultrarapides. Le centre est dirigé par Zewail, qui l'a créé en 2005 pour faire progresser la compréhension de la physique fondamentale du comportement chimique et biologique.
En utilisant les électrons du microscope, plusieurs filaments d'ADN ont été coupés du film de carbone (à gauche) de sorte qu'un structure autoportante a été réalisée sous le microscope 4D (à droite).
"Dans la nature, le comportement de la matière est déterminé par sa structure - les arrangements de ses atomes dans les trois dimensions de l'espace - et par la façon dont la structure change avec le temps, la quatrième dimension, " explique Zewail. " Si vous regardez un cheval galoper au ralenti, vous pouvez suivre le temps des galops, et vous pouvez voir en détail quoi, par exemple, chaque jambe fait au fil du temps. Quand nous arrivons à l'échelle nanométrique, c'est une autre histoire :nous devons améliorer la résolution spatiale à un milliard de fois celle du cheval afin de visualiser ce qui se passe."
Zewail a reçu le prix Nobel de chimie 1999 pour son développement de la femtochimie, qui utilise des flashs laser ultracourts pour observer les réactions chimiques fondamentales se produisant à l'échelle de la femtoseconde (un millionième de milliardième de seconde). Although femtochemistry can capture atoms and molecules in motion, giving the time dimension, it cannot concurrently show the dimensions of space, and thus the structure of the material. This is because it utilizes laser light with wavelengths that far exceed the dimension of a nanostructure, making it impossible to resolve and image nanoscale details in tiny physical structures such as DNA .
To overcome this major hurdle, the 4D electron microscope employs a stream of individual electrons that scatter off objects to produce an image. The electrons are accelerated to wavelengths of picometers, or trillionths of a meter, providing the capability for visualizing the structure in space with a resolution a thousand times higher than that of a nanostructure, and with a time resolution of femtoseconds or longer.
The experiments reported in PNAS began with a structure created by stretching DNA over a hole embedded in a thin carbon film. Using the electrons in the microscope, several DNA filaments were cut away from the carbon film so that a three-dimensional, free-standing structure was achieved under the 4D microscope.
Prochain, the scientists employed laser heat to excite oscillations in the DNA structure, which were imaged using the electron pulses as a function of time—the fourth dimension. By observing the frequency and amplitude of these oscillations, a direct measure of stiffness was made.
"It was surprising that we could do this with a complex network, " says Zewail. "And yet by cutting and probing, we could go into a selective area of the network and find out about its behavior and properties."
Using 4D electron microscopy, Zewail's group has begun to visualize protein assemblies called amyloids, which are believed to play a role in many neurodegenerative diseases, and they are continuing their investigation of the biomechanical properties of these networks. He says that this technique has the potential for broad applications not only to biological assemblies, but also in the materials science of nanostructures.
