Une seule cellule de notre corps est composée de milliers de millions de biomolécules différentes qui fonctionnent ensemble de manière extrêmement bien coordonnée. De même, de nombreuses réactions biologiques et biochimiques ne se produisent que si les molécules sont présentes à des concentrations très élevées. Comprendre comment toutes ces molécules interagissent les unes avec les autres est essentiel pour faire progresser nos connaissances en biologie moléculaire et cellulaire.

Cette connaissance est d'une importance centrale et fondamentale dans la recherche de la détection des premiers stades de nombreuses maladies humaines. En tant que tel, l'un des objectifs ultimes des sciences de la vie et de la biotechnologie est d'observer comment les molécules individuelles fonctionnent et interagissent les unes avec les autres dans ces environnements très encombrés. Malheureusement, détecter une molécule parmi des millions de molécules voisines était techniquement impossible jusqu'à présent. La clé pour réussir à détecter la molécule unique réside dans la conception et la production d'un dispositif de travail qui réduit la région d'observation à une taille minuscule comparable à la taille de la molécule elle-même, c'est-à-dire quelques nanomètres seulement.

Des chercheurs de l'Institut Fresnel de Marseille et de l'ICFO-Institut des sciences photoniques de Barcelone rapportent dans Nature Nanotechnologie la conception et la fabrication du plus petit dispositif optique, capable de détecter et de capter des biomolécules individuelles à des concentrations similaires à celles trouvées dans le contexte cellulaire. Le dispositif appelé "antenne-en-boîte" consiste en une minuscule antenne dimère composée de deux demi-sphères d'or, séparés les uns des autres par un espace aussi petit que 15 nm. La lumière envoyée à cette antenne est énormément amplifiée dans la région du trou où se produit la détection réelle de la biomolécule d'intérêt. Parce que l'amplification de la lumière est limitée aux dimensions de l'espace, seules les molécules présentes dans cette minuscule région sont détectées. Une deuxième astuce utilisée par les chercheurs pour faire fonctionner ce dispositif consistait à encastrer les antennes dimères dans des boîtiers également de dimensions nanométriques. "La boîte filtre le "bruit" indésirable de millions d'autres molécules environnantes, réduire le bruit de fond et améliorer dans son ensemble la détection de biomolécules individuelles.", explique Jérôme Wenger de l'Institut Fresnel. Lorsqu'il est testé sous différentes concentrations d'échantillon, ce nouveau dispositif d'antenne dans la boîte a permis une amélioration de la luminosité de la fluorescence de 1 100 fois avec des volumes de détection allant jusqu'à 58 zeptolites (1 zL =10-21L), c'est à dire., le plus petit volume d'observation au monde.

L'antenne dans une boîte offre une plate-forme très efficace pour effectuer une multitude d'évaluations biochimiques à l'échelle nanométrique avec une sensibilité à une seule molécule dans des conditions physiologiques. Il pourrait être utilisé pour la détection ultrasensible de quantités infimes de molécules, devenir un excellent dispositif de diagnostic précoce pour la biodétection de nombreux marqueurs de la maladie. "Il peut également être utilisé comme nanosource optique ultra-brillante pour éclairer les processus moléculaires dans les cellules vivantes et finalement visualiser comment les biomolécules individuelles interagissent les unes avec les autres. Cela nous rapproche du rêve tant attendu des biologistes", conclut la chercheuse de l'ICFO, la professeure Maria Garcia-Parajo.