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Des nano-oreilles pour écouter des cellules, des bactéries et des virus

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Un million de fois plus sensible qu'une oreille humaine, ce microphone invisible à l'œil nu, formé par une particule d'or portée par des faisceaux laser, permettrait d'écouter les bruits émis par des cellules, des bactéries ou des virus. Les écouter donnerait accès à un univers sonore inconnu et offrir un nouveau moyen de les étudier. En médecine, on pourrait par exemple écouter les gobules rouges...

Dans un globule rouge infecté par le parasite de la malaria, la paroi vibre moins facilement. L'écoute à l'aide d'un microphone nanométrique pourrait donc faire la différence entre une cellule saine et une cellule malade. © US CDC, domaine public

L'utilisation de la technologie laser est la source de nombreuses innovations dans les domaines de l'étude du vivant et des nanotechnologies. L'une d'elles a révolutionné la biologie moléculaire. Il s'agit des pinces optiques dont le concept est né en 1986. Un faisceau lumineux monochrome produit par un laser de faible puissance peut maintenir une particule diélectrique en place ou la déplacer sans aucun contact. Les princes optiques sont communément employées pour injecter puis manipuler de l'ADN à l'intérieur de cellules vivantes.

Elles peuvent également être utilisées pour mesurer des forces agissant sur des corpuscules microscopiques (exprimées en piconewtons). Une fois capturées dans le faisceau lumineux, des instruments peuvent mesurer leurs mouvements éventuels et donc les forces qu'elles subissent. 

Le son, lui, a besoin de matière pour se propager. Il provoque des déplacements d'avant en arrière des particules qu'il rencontre dans les milieux qu'il traverse. Pour détecter une onde sonore, il faut donc mesurer ces mouvements d'aller-retour, par exemple sur une particule d'or de 60 nm de diamètre maintenue dans une pince optique. Ce concept a donné naissance aux nano-oreilles développées par Jochen Feldmann et son équipe du groupe de photonique et d'optophotonique de l'université de Munich en Allemagne. Leurs travaux sont publiés dans Physical Review Letters.

Des pinces optiques (en rose) ont déjà été utilisées pour étirer un brin d'ADN fixé à deux particules diélectriques et tester sa résistance. Au-delà d'une certaine force, le brin d'ADN s'ouvre. © Nature Physics

Nanophones ultrasensibles et directionnels

Ce système de microphones, ou plutôt de nanophones, est un million de fois plus sensible que l'oreille humaine. Il a enregistré des sons jusqu'à -60 dB. Il est aussi directionnel. En faisant passer plusieurs faisceaux laser sur une seule particule, les mouvements vibratoires sont observables en trois dimensions. La direction de propagation du son peut être connue. En utilisant un réseau tridimensionnel de particules d'or maintenues par des faisceaux distincts, il serait possible de déterminer avec précision l'origine du son.

Cette technologie autoriserait l'écoute et l'identification des vibrations acoustiques émises par des cellules, des bactéries ou encore des virus durant leurs déplacements ou leur respiration. Une nouvelle discipline de microscopie acoustique pourrait donc voir le jour. Les méthodes actuelles s'appuient sur le principe des ultrasons médicaux pour voir à l'intérieur de la matière à l'échelle micrométrique. L'emploi des pinces optiques permettrait l'étude non destructive de l'intérieur même des cellules à une échelle pouvant être nanométrique, là où aucune autre technique d'observation n'est utilisable. Il serait par exemple possible de comparer les sons émis par des cellules saines et des cellules malades.

Les applications médicales, bien que prometteuses, n'ont pas encore vu le jour. L'équipe de scientifiques a uniquement réalisé des tests sur des particules d'or en suspension dans de l'eau. Les mouvements d'un corpuscule maintenu par une pince optique ont pu être enregistrés et analysés tandis que d'autres sphères d'or étaient mises en vibration. Les chercheurs ont fait varier les fréquences des vibrations afin de s'assurer qu'ils enregistraient bien le son voulu et non des mouvements de l'eau.

Ils restent optimistes quant à une évolution rapide du procédé vers une application médicale. Les configurations expérimentales doivent cependant être affinées afin de pouvoir discriminer efficacement les nombreux sons qu'une cellule peut produire.

Certains se passionnent pour les chants de baleine, d'autres pourront dorénavant se distraire avec les chants de micro-organismes !

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