Les protéines motrices génèrent les forces nécessaires aux processus mécaniques essentiels de notre corps. A l'échelle du nanomètre - un millionième de millimètre - les protéines motrices, par exemple, alimenter nos muscles ou transporter du matériel dans nos cellules. De tels mouvements, invisible à l'œil nu, peut être rendu visible par Erik Schäffer :le professeur de nanosciences cellulaires à l'université de Tübingen développe des microscopes à force spéciale, pinces dites optiques, pour mesurer le fonctionnement mécanique de ces machines moléculaires. Son équipe du Center for Plant Molecular Biology a maintenant amélioré la technologie. Sondes spéciales, nanosphères de germanium, permettent une résolution plus élevée des déplacements et des forces que les moteurs génèrent. Les résultats ont été publiés dans la revue Science .

Avec une taille de seulement 60 nanomètres, les protéines motrices étudiées sont vraiment minuscules, mais essentiel pour les processus cellulaires. Entre autres, ils aident à séparer mécaniquement les chromosomes lors de la division cellulaire, soit ils transportent de petits "colis, " les soi-disant vésicules, au sein des cellules. Moteurs dysfonctionnels, par exemple dans les cellules nerveuses, peut conduire à des maladies neurologiques comme la maladie d'Alzheimer.

Pour comprendre le fonctionnement des protéines motrices, le biophysicien Erik Schäffer a développé des pincettes optiques ultra-précises. Ils sont basés sur des principes déjà découverts par l'astronome Johannes Kepler en 1609. Pour leur invention, le physicien Arthur Ashkin a reçu le prix Nobel en 2018. Les pincettes optiques exploitent la pression de rayonnement de la lumière laser pour maintenir sans contact de minuscules particules en place. A l'aide de cet outil, Schäffer a pu démontrer il y a quelques années que la protéine motrice kinésine tourne en marchant :avec deux "pieds, " il faut des pas de huit nanomètres en faisant un demi-tour à chaque fois, presque comme s'il s'agissait d'une valse viennoise.

Le doctorat de Schäffer L'étudiant Swathi Sudhakar a maintenant affiné la technologie des pincettes optiques. En utilisant des nanosphères de germanium, sondes beaucoup plus petites et à plus haute résolution, on peut encore contrecarrer l'inimaginablement minuscule, forces de cinq piconewtons des moteurs biologiques. Cela signifie que les chercheurs peuvent désormais mesurer même les mouvements les plus petits et les plus rapides qui étaient jusqu'à présent cachés dans la tempête du mouvement thermique saccadé inhérent aux petites particules.

Avec la nouvelle technologie, les chercheurs pourraient suivre la kinésine en temps réel, et Sudhakar a détecté une autre étape intermédiaire dans sa locomotion, rendre la valse presque parfaite. "L'existence de cette étape intermédiaire est débattue parmi les scientifiques depuis 20 ans, " dit Schäffer. " Pour la première fois, nous avons pu mesurer cela directement à l'aide d'une pince à épiler optique. " De plus, les nanosphères ont révélé un mécanisme de glissement du moteur jusqu'alors inconnu. "C'est une sorte de leash de sécurité qui maintient le moteur sur la bonne voie si la charge est trop élevée, " explique Schäffer. Ce mécanisme explique la grande efficacité du transport des vésicules dans les cellules, il ajoute. "Si nous connaissons en détail le fonctionnement des moteurs à kinésine, nous pouvons également mieux comprendre les processus cellulaires vitaux que les moteurs alimentent, ainsi que des dysfonctionnements qui peuvent conduire à des maladies."

Schäffer compare la nouvelle technologie avec « un bon coup d'œil sous le capot » des machines moléculaires. Il dit que maintenant, les chercheurs peuvent non seulement observer avec précision les mouvements individuels des machines moléculaires; ils peuvent aussi mieux comprendre, par exemple, comment les protéines se replient dans leur structure correcte. "En tant que semi-conducteurs, les nanosphères ont des propriétés optiques et électriques excitantes supplémentaires. Par conséquent, ils pourraient être utiles dans d'autres domaines de la nanoscience et de la science des matériaux, par exemple, pour de meilleures batteries lithium-ion, " dit Schäffer.