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Le graphène sert aussi à mieux observer les bactéries

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Observer des bactéries avec un microscope électronique oblige à les placer sous vide, ce qui les déshydrate et modifie leur état. Un groupe de chercheurs de l'Université du Kansas vient de s'affranchir de cet inconvénient en enveloppant les bactéries d'une couche de graphène imperméable.

Une représentation d'artiste d'un feuillet de graphène avec la structure hexagonale des atomes de carbone formant le feuillet. © Jannik Meyer

Le premier prototype de microscope électronique a été construit en 1931 par les ingénieurs allemands Ernst Ruska et Max Knoll. Le premier recevra d'ailleurs le prix Nobel de physique en 1986 pour cette réalisation. Bien qu'à ses débuts cet appareil ne rivalisait pas avec un microscope optique, il ne fallut que deux années pour que la résolution d'un microscope électronique surpasse celle de son classique homologue optique. Aujourd'hui on parvient même à observer avec un microscope électronique des atomes d'hydrogène. Toutefois, le brevet de ce microscope a été déposé par Reinhold Rudenberg, le directeur scientifique de Siemens, cherchant à rendre visible le virus de la poliomyélite. Après la seconde guerre mondiale, l'utilisation de microscopes électroniques à haute résolution devient de plus en plus importante pour l'étude des systèmes biologiques.

Dans le principe de la microscopie à transmission, les échantillons, après préparation, sont inclus dans une résine et coupés en tranches très fines par un ultramicrotome (c'est l'analogue de la microscopie optique classique). Mais la microscopie à balayage permet, elle, d'observer la structure complète en trois dimensions (comme on le ferait avec une loupe). On ne peut cependant pas observer directement des échantillons biologiques de cette manière car l'utilisation des faisceaux d'électrons impose d'opérer sous vide. Il en résulte que l'eau contenue dans ces systèmes biologiques va rapidement s'en échapper et la déshydratation produite va provoquer une contraction des bactéries et des cellules, modifiant l'état dans lequel elles se trouvent normalement.

L'image de gauche montre une bactérie protégée de la déshydratation par son enveloppe en graphène. Celle de droite, toujours avec un microscope électronique, montre que les bactéries se contractent en perdant de l'eau. © Kansas State University

Une couche protectrice en carbone

Professeur d'ingénierie chimique à l'Université du Kansa, Vikas Berry, avec ses collègues, vient de trouver une parade à ce problème. Pour cela, il a eu l'idée de mobiliser une autre découverte ayant donné lieu à l'attribution d'un prix Nobel en physique, celle du graphène.

Rappelons que le graphène est un feuillet dont l'épaisseur est précisément celle d'un des atomes de carbone le composant. Il est transparent et plutôt résistant aux faisceaux d'électrons que l'on peut utiliser en microscopie électronique. Toutefois, il s'oppose au passage des molécules d'eau. En fixant des protéines sur un feuillet de graphène, les chercheurs ont réussi à faire en sorte que celui-ci puisse envelopper d'une couche imperméable en carbone des bactéries ou des cellules. Ce faisant, ils ont réussi à empêcher le départ des molécules d'eau formant de 70 à 80 % de la composition des cellules et des bactéries lorsqu'on les place dans un microscope électronique pendant 30 minutes.

Le temps obtenu était plus que suffisant pour observer ces objets biologiques et obtenir des images inédites, comme l'expliquent les chercheurs dans un article publié dans Nano Letters.

Le succès de la méthode ne se limite probablement pas aux cellules. On a du mal à observer au microscope électronique des protéines en solution et donc leur comportement dans l'environnement aqueux des cellules. Il devrait donc être possible d'utiliser la même méthode pour isoler temporairement une fraction d'un tel liquide et l'étudier au microscope électronique. Dans l'avenir, on pourra peut-être aussi observer de cette manière ce qui se passe dans une cellule ou dans une bactérie encore vivante.