Un nouveau type de pince à épiler biomoléculaire pourrait aider les chercheurs à étudier comment les forces mécaniques affectent l'activité biochimique des cellules et des protéines. Les appareils, trop petits pour être vus sans microscope, utilisent des forces magnétiques et électrophorétiques opposées pour étirer avec précision les cellules et les molécules, en les maintenant en position afin que l'activité des récepteurs et d'autres activités biochimiques puissent être étudiées. Des réseaux de pincettes pourraient être combinés pour étudier plusieurs molécules et cellules simultanément, fournissant une capacité de débit élevée pour évaluer les effets des forces mécaniques à grande échelle. Détails des appareils, qui ont été développés par des chercheurs du Georgia Institute of Technology et de l'Université Emory à Atlanta, ont été publiés le 19 février 2014, dans la revue La technologie .

"Notre laboratoire s'est beaucoup intéressé aux commutateurs mécano-chimiques dans la matrice extracellulaire, mais nous avons actuellement du mal à interroger ces mécanismes et à découvrir comment ils fonctionnent in vivo, " a déclaré Thomas Barker, professeur agrégé au Wallace H. Coulter, Département de génie biomédical de Georgia Tech et Emory University. "Cet appareil pourrait aider les biologistes et les ingénieurs biomédicaux à répondre à des questions auxquelles il est impossible de répondre pour le moment." Par exemple, une cellule qui se lie à la matrice extracellulaire peut se lier à un récepteur pendant l'étirement de la matrice, et un récepteur différent lorsqu'il n'est pas stressé. Ces différences de liaison pourraient entraîner des changements dans le phénotype cellulaire et affecter des processus tels que la différenciation cellulaire. Mais ils sont maintenant difficiles à étudier.

"Avoir un appareil comme celui-ci nous permettra d'interroger quels sont les sites de liaison spécifiques et quels sont les déclencheurs de liaison spécifiques, " expliqua Barker. " En ce moment, nous en savons très peu sur ce domaine en ce qui concerne la biochimie des protéines. » Les scientifiques ont pu étudier comment des cellules ou des protéines individuelles sont affectées par des forces mécaniques, mais leur activité peut varier considérablement d'une cellule à l'autre et parmi les molécules. La nouvelle pince à épiler, qui sont construits par nanolithographie, peut faciliter l'étude de milliers ou plus de cellules et de protéines dans leur ensemble. Les chercheurs testent actuellement des matrices prototypes de 15 par 15 qui, selon eux, pourraient être étendues.

"Pour moi, il ne suffit pas de tirer et de s'accrocher à une seule protéine, " a déclaré Barker. "Je dois tirer et m'accrocher à des dizaines de milliers de protéines pour vraiment utiliser les technologies dont nous disposons pour développer des sondes moléculaires."

Au centre de la pince à épiler se trouvent des microbilles de polystyrène de 2,8 microns qui contiennent des nanoparticules superparamagnétiques. Les minuscules billes sont conçues pour adhérer à un échantillon en cours d'étude. Cet échantillon est attaché à une perle d'un côté, et à un plot magnétique de l'autre. L'aimant attire la bille vers elle, tandis qu'une force électrophorétique créée par le courant circulant à travers un motif de câblage en or repousse la perle. "L'appareil pousse et tire simultanément sur la même particule, " a expliqué Barker. " Cela nous permet de maintenir l'échantillon à une position très spécifique au-dessus de l'aimant. " Parce que les forces peuvent varier, la pince à épiler peut être utilisée pour étudier des structures d'échelles de taille très différentes, des molécules de protéines aux cellules - une différence de taille d'environ mille fois, a noté Wilbur Lam, professeur adjoint au département Coulter. Les forces absolues dans la gamme nano-Newton appliquées par les deux sources surmontent les effets beaucoup plus petits du mouvement brownien et de l'énergie thermique, permettant à la pince à épiler de maintenir les cellules ou les molécules sans ajustement constant.

« Nous exploitons essentiellement la technologie des micropuces qui a été développée par des ingénieurs électriciens et mécaniciens, " Lam a noté. "Nous sommes en mesure de tirer parti de ces très petites fonctionnalités qui nous permettent de créer un champ électrique très pointu à une extrémité contre un champ magnétique court opposé. Parce qu'il y a deux façons de le contrôler, nous avons une résolution serrée et pouvons atteindre de nombreuses échelles différentes."

Comme preuve de principe pour le système, les chercheurs ont démontré sa capacité à distinguer l'antigène se liant à des billes magnétiques chargées recouvertes de différents anticorps. Lorsqu'une force ascendante suffisante est appliquée, les billes revêtues d'anticorps non spécifiques sont déplacées de la surface du dispositif revêtue d'antigène, tandis que les billes revêtues de l'anticorps spécifique sont plus fortement attirées par la surface et retenues dessus.

Barker et Lam ont commencé à travailler ensemble sur la pince à épiler il y a trois ans lorsqu'ils ont réalisé qu'ils avaient des intérêts similaires dans l'étude des effets de l'action mécanique sur différents systèmes biologiques. "Il ne faut pas s'étonner que la biologie puisse être dictée par des paramètres physiques, " expliqua Lam. " Tout doit obéir aux lois de la physique, et la mécanique va au cœur de cela. » L'intérêt de Lam se situe à l'échelle cellulaire, spécifiquement dans les cellules sanguines.

"Les cellules sanguines réagissent aussi différemment, biologiquement, quand vous les serrez et quand vous les étirez, " dit-il. " Par exemple, nous avons appris que la mécanique a beaucoup à voir avec l'athérosclérose, mais les systèmes dont nous disposons actuellement pour étudier ce mécanisme ne peuvent examiner que les événements unicellulaires. Si vous pouvez regarder plusieurs cellules à la fois, vous obtenez une bien meilleure vue statistique de ce qui se passe."

« Nous nous intéressons principalement à l'évolution des anticorps capables de distinguer différentes conformations de protéines médicamentées par la force, " a-t-il expliqué. " Nous avons une protéine spécifique qui nous intéresse, mais cette technique pourrait être appliquée à toutes les protéines suspectées d'avoir ces changements activés par la force dans leur activité biochimique. les chercheurs espèrent trouver d'autres applications. La pince à épiler a été développée en collaboration avec l'étudiante diplômée Lizhi Cao et le boursier postdoctoral Zhengchun Peng. « En raison de l'échelle que nous sommes en mesure d'examiner, à la fois moléculaire et cellulaire, je pense que cela aura de nombreuses applications à la fois dans l'ingénierie moléculaire des protéines et la biotechnologie, " Lam a déclaré. "Cela pourrait être un moyen utile pour les gens de cribler des molécules pertinentes car il n'y a actuellement pas de bons moyens de le faire." Au-delà des systèmes biologiques, l'appareil pourrait être utilisé dans le développement de matériaux, la microélectronique et même la détection. « Cette capacité à détecter des événements de liaison et de déliaison discrets entre des espèces moléculaires est d'un grand intérêt en ce moment, " a ajouté Barker. " Les applications de biocapteurs en découlent naturellement. "