Un microscope à force photonique haute résolution pour observer des cellules biologiques

Publié par Redbran le 10/06/2020 à 13:00
Source: CNRS INSIS
Le microscope à force photonique (PhFM) est mieux adapté que le microscope à force atomique (AFM) à l'observation des tissus mous, notamment des cellules biologiques. Mais sa résolution restait encore insuffisante. Des chercheurs de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical...) d'électronique et des systèmes et du Centre de biochimie (La biochimie est la discipline scientifique qui étudie les réactions chimiques ayant lieu au sein des cellules.) structurale ont obtenu des images haute résolution, grâce à un procédé de nanofabrication des pointes du PhFM. Les résultats sont publiés dans la revue Nano Letters.


Schéma en 3D d'une particule cylindrique supportant une pointe piégée dans une pince optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement électromagnétique et de ses relations avec la vision.) et utilisée en mode microscope à force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale » équivalent au courage (cf. les articles « force...) photonique pour imager la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et...) d'un globule rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait usage.). © IES.

Le microscope à force atomique (Le microscope à force atomique (ou AFM pour atomic force microscope) est un dérivé du microscope à effet tunnel (ou Scanning Tunneling Microscope, STM), qui peut servir...) (AFM), dont la pointe balaye la surface d'un échantillon (De manière générale, un échantillon est une petite quantité d'une matière, d'information, ou d'une solution. Le mot est utilisé dans différents domaines :), permet d'obtenir des images de sa topographie avec une précision de l'ordre du nanomètre. Mais son utilisation est réservée aux matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) rigides, en raison de la force relativement importante qu'il exerce sur la surface (10 à 100 picoNewton). Sur le même principe, le microscope à force photonique (PhFM) est un nouvel instrument mieux adapté aux matériaux mous, en particulier aux tissus biologiques, car il exerce une force bien plus faible (moins d'un picoNewton). Mais jusqu'ici, son usage (L’usage est l'action de se servir de quelque chose.) était limité par sa faible résolution, très inférieure à celle de l'AFM.

Cet obstacle vient d'être franchi par une équipe de chercheurs de l'Institut d'électronique et des systèmes (IES, CNRS/Université de Montpellier) et du Centre de biologie (La biologie, appelée couramment la « bio », est la science du vivant. Prise au sens large de science du vivant, elle recouvre une partie des...) structurale (CBS, CNRS/Université de Montpellier/Inserm), qui ont conçu et réalisé un microscope PhFM haute résolution. Avec cet instrument, ils ont obtenu des images de la surface de globules rouges infectés par la malaria, et observé la présence de protubérances ("knobs") de moins de 100 nm sur la membrane de la cellule, caractéristiques de la présence de parasites dans les globules. Ce type de structures biologiques étaient jusqu'ici impossibles à observer avec un PhFM, dont la résolution était de l'ordre de quelques centaines de nanomètres.

Dans un microscope PhFM, la pointe qui balaye la surface à imager est en fait une microparticule piégée par un faisceau laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique) amplifiée par émission stimulée. Le terme laser provient de l'acronyme...) (une "pince optique"). Les particules utilisées sont en général sphériques et d'un diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre et limité par les points du cercle ou de la sphère. Le diamètre...) supérieur à 100nm. Leur géométrie (La géométrie est la partie des mathématiques qui étudie les figures de l'espace de dimension 3 (géométrie euclidienne) et, depuis le...) et leur taille limitent la résolution. La collaboration entre les chercheurs de l'IES (axés sur la nanofabrication) et ceux du CBS (spécialistes des pinces optiques pour la recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche scientifique...) en biologie), a permis de mettre au point (Graphie) une technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) de PhFM basée sur des particules de quartz de formes cylindriques (500 nm de diamètre, 1,8 micron de haut), terminées par une pointe. Ces particules sont fabriquées de manière collective (plusieurs millions sur un échantillon de 2x2 cm) en utilisant les moyens de la salle blanche CNRS/Université de Montpellier (lithographie d'interférence (En mécanique ondulatoire, on parle d'interférences lorsque deux ondes de même type se rencontrent et interagissent l'une avec l'autre. Ce phénomène apparaît souvent en optique avec les ondes lumineuses, mais il...), gravure plasma).

Pour améliorer encore les performances de leur PhFM, les chercheurs doivent maintenant optimiser la forme des particules, et expérimenter d'autres matériaux que le quartz. Ils vont également développer des stratégies permettant de s'affranchir des collages entre la pointe et les cellules, qui perturbent la mesure. Par ailleurs, ils envisagent d'explorer l'utilisation du même dispositif comme nanomanipulateur pour la recherche en biologie, en piégeant des molécules uniques- protéines ou fragments d'ADN.

Références:
High-Resolution Photonic Force Microscopy Based on Sharp Nanofabricated Tips,
R. Desgarceaux, Z. Santybayeva, E. Battistella, A. L. Nord (Le nord est un point cardinal, opposé au sud.), C. Braun-Breton, M. Abkarian, O. M. Maragò, B. Charlot, F. Pedaci.
Nano Letters (mai 2020)
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c00729

Contact:
Benoit Charlot - IES
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