Nanobiologies: le laboratoire en miniature Je voudrais tout d’abord commencer par dire que je suis physicien de formation, et que pendant mes études j’ai toujours entendu parler des « nanosciences », comme d’un sujet à la mode. Mais ce qui me rendait perplexe, c’est que ce terme nanoscience veut dire beaucoup de choses. J’ai appris qu’on arrivait à faire de l’électronique avec des électrons uniques, qu’on cherchait à faire passer un courrant électrique dans un nanotube de carbone ou une chaine d’ADN. Les nanosciences c’est quoi au juste? Nanoscience c’est l’étude des phénomènes physiques au niveau fondamental, c’est à dire au niveau atomique et moléculaire. De ce fait les nanosciences sont un domaine de recherche essentiellement multidisciplinaire = étude des phénomènes au niveau fondamental des atomes/molécules individuelles. Donc nos expériences cherchent à comprendre le comportement physique/mécanique des phénomènes biologiques. Cherche non seulement à observer mais aussi à MANIPULER les systèmes. Le but de ma présentation est de présenter un exemple de ces manipulations à l’aide de pince optique. Les pinces optiques L’outil de manipulation des molécules biologiques Alexandre Lewalle London Centre for Nanotechnology

Les nanosciences appliquées à la biologie, ça peut être: Le fait de mesurer, de manipuler et de controler des phénomènes biologiques au niveau atomique et moléculaire; Simuler de manière artificielle des phénomènes biologiques complexes. Epurer et simplifier ces systèmes pour n’en garder que les composantes essentielles; Mettre en évidence sous le microscope les aspects mécaniques des phénomènes moléculaires et cellulaires. Considérer les molécules comme des entités mécaniques, et pas seulement chimiques. Le genre de nanoscience ou j’ai finalement abouti porte plus sur l’étude des systèmes biologiques.

La nature nous fournit des exemples de « nanomachines »: Pourquoi les physiciens s’intéressent à la bio : La mécanique à toutes les échelles La nature nous fournit des exemples de « nanomachines »: de grande précision de haute efficacité reproductibles multifonctionnelles Les nanosciences se situent à des échelles de grandeur intermédiaires, à un niveau de complexité intermédiaire, entre le microscopique et le macroscopique. Le domaine biologique nous fournit des systèmes de robotique au niveau moléculaire. Nous cherchons à mettre en évidence les mécanismes. 10 nm 1 m

La myosine : le moteur moléculaire Le sujet de ma recherche dont je vais parler ici est la protéine qui est responsable pour la génération de tension et de force dans les muscles. Les composantes principales des cellules musculaires sont deux protéines, toutes deux sous formes de filaments, qui peuvent glisser les uns par rapport aux autres. 2 espèces de protéines: actine myosine

De plus près... ACTINE MYOSINE Voici un dessin animé qui résume le mécanisme par lequel la myosine génère une force en tirant sur les filaments d’actine. Le changement de conformation génère la force. L’ATP sert de carburant.

Nano = “petit” mais petit comment ?... Longueurs: 10-9 m ~ 10-8 m (échelle nm) Energies: 10-21 J ~ 10-19 J Forces: 10-12 N ~ 10-11 N (échelle pN) LE DEFI : trouver des outils adaptés à ces échelles (Hydrolyse de l’ATP ~ 80 x 10-21 J) Pour trouver les expériences adéquates il faut d’abord préciser les ordres de grandeur des quantités physiques que nous cherchons à mesurer. La taille moléculaire définit l’échelle de longueur. L’énergie libre de l’hydrolyse de l’ATP définit l’échelle d’énergie. On divise l’échelle d’énergie par celle de longueurs pour avoir l’échelle des forces.

Principe des pinces optiques: exploitation de la force photonique Pour expliquer le principe de base du fonctionnement des pinces optiques imaginez une simple expérience conceptuelle. Ordre de grandeur: Puissance laser 0.1W Longueur d’onde 1000 nm c. à d. ~ 5x1017 photons/seconde F ~ 3 pN Quantité de mouvement par photon: p = h / l

Une micro-bille comme support Pour faire notre expérience sur les molécules, nous utilisons la pince optique pas pour tenir une molécule, mais pour tenir une bille en plastique de la taille d’un micron sur laquelle on fixe les molécule qui nous intéressent.

Le point focal de l’objectif est le point d’attraction de la pince 1 mm Objectif à grande ouverture numérique

La pince optique: un système élastique quasi-linéaire ressort axial FORCE kz ressort radial On peut modéliser la pince optique comme comportant deux ressorts: un axial, un radial. kx CENTRE FOCAL Force = kx x kx <x2> = kBT

Notre expérience consiste à tenir pas une seule bille mais 2 billes chacune dans une pince optique.

La peche aux billes La peche à l’actine

Décallage = 10 nm = déplacement du levier oscilloscope Detecteurs photodiodes de position Image video Moyenne des positions: Décallage = 10 nm = déplacement du levier 10 nm état détaché état attaché

Pour démontrer avec quelle précision on arrive à controller notre système, on modifier l’expérience pour faire avancer la myosine par rapport au filament.

Etirer la molécule pour mesurer sa constante de raideur 2 4 6 8 5 10 15 dx M (nm) dF (pN) 2.2 pN/nm

Détricoter une molécule d’ADN

La pince optique pour mesurer la raideur d’une membrane Experiment consists of stretching the red blood cell in the following manner. First we produce a suspension of red blood cells and allow them to settle down onto a plain glass coverslip. Then position bead at the centre of the cell using the optical tweezers. Move the glass surface via the piezo-controls of the microscope stage. You can see that this preserves the axial symmetry of the cell.

Les défis d’une expérience « nano » Mesurer sans (trop) perturber Le bruit Isolation sonore Isolation thermale Mouvement brownien Problèmes à éviter ou à en tirer parti?....

Le système de pince optique platine piezoélectrique Laser infrarouge