Les physiciens de l'Institut Max Planck pour la science de la lumière (MPL) ont réussi à développer davantage une structure photonique connue de l'optique quantique - l'antenne optique planaire - destinée à être utilisée dans les milieux aqueux pour surveiller les processus dynamiques. Cela permet d'observer les changements conformationnels de biomolécules individuelles avec la résolution temporelle la plus élevée.

Pour atteindre cette résolution, ce que l'on appelle « l'antenne optofluidique » collecte les photons émis par les molécules fluorescentes individuelles avec une efficacité d'environ 85 %. Avec une telle efficacité, les chercheurs sont capables d’atteindre une résolution temporelle de l’ordre de la microseconde. L'appareil peut être facilement intégré à de nombreuses configurations de microscopie existantes et ajoute un autre outil offrant une résolution temporelle élevée en laboratoire.

L'étude de la dynamique interne complexe des biomolécules dans un environnement liquide avec une résolution monomoléculaire présente un grand intérêt pour les sciences de la vie.

Les mesures de fluorescence constituent actuellement la technique fondamentale pour déchiffrer les processus dynamiques rapides et lents. Ici, des sections spéciales des biomolécules sont marquées avec des molécules de colorant fluorescent. Lorsqu'ils sont excités par la lumière laser, les changements de position les uns par rapport aux autres sont détectés en mesurant les photons émis. Cependant, la méthodologie de collecte limite le nombre de photons de fluorescence pouvant être enregistrés par intervalle de temps, limitant ainsi la résolution temporelle.

Dans l'ouvrage, publié dans Nature Communications , l'équipe dirigée par les professeurs Stephan Götzinger et Vahid Sandoghdar présente une toute nouvelle méthode de mesure très efficace, basée sur les structures connues de l'optique quantique du solide.

Les physiciens ont développé le concept de l'antenne optique planaire il y a environ 10 ans et contrairement aux antennes optiques conventionnelles, une antenne planaire peut être réalisée sans nanostructures métalliques. Grâce à une modification astucieuse, les nouvelles antennes optofluidiques sont capables de collecter les photons émis par une seule biomolécule en solution avec une efficacité extrêmement élevée (85 %).

L'antenne est constituée d'un substrat de verre et d'une couche d'eau de plusieurs centaines de nanomètres d'épaisseur contenant les biomolécules à examiner. La fine couche d’eau est créée par une micropipette positionnée à quelques centaines de nanomètres seulement au-dessus du substrat. En appliquant une pression définie, la forme du ménisque d'eau dans la pipette est contrôlée.

La limite axiale de la couche d'eau force les molécules à diffuser à travers le centre du foyer laser et augmente ainsi ce que l'on appelle la luminosité. L'antenne multiplie par cinq environ le signal de fluorescence des molécules. Dans le même temps, l'interface eau-air ralentit la diffusion des molécules, tandis que la géométrie de l'antenne augmente la probabilité qu'une molécule revienne au foyer.

Les scientifiques du MPL démontrent les performances de l'antenne optofluidique en collaboration avec le groupe du professeur Claus Seidel, Université de Düsseldorf, en examinant le changement de conformité d'un ADN spécifiquement disposé :la jonction à quatre voies de l'ADN.

Deux des branches de la jonction sont marquées d'une paire de transfert d'énergie par résonance de Förster (FRET), où le nombre de photons émis par chacun des deux partenaires FRET change avec la distance entre les deux branches. En utilisant les trajectoires FRET, les chercheurs ont pu prouver qu’un état conformationnel suspecté ne se produit pas et fournir une limite supérieure pour sa durée de vie. La nouvelle antenne peut suivre la dynamique du croisement à quatre voies de l'ADN avec une résolution temporelle de quelques microsecondes seulement.

"Notre antenne optofluidique fonctionne si bien grâce à l'efficacité améliorée de la collecte de photons provenant de molécules à diffusion plus lente dans le canal spatialement limité", explique le professeur Stephan Götzinger.

"L'antenne est un dispositif puissant pour les recherches dans les sciences de la vie. Elle est non seulement facile à utiliser, mais peut également être facilement intégrée dans de nombreuses configurations de microscopie existantes", ajoute le professeur Vahid Sandoghdar.