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Un nanovoltmètre plonge dans les cellules et découvre un nouveau monde

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Avec ses 30 nanomètres de diamètre, ce minuscule appareil de mesure se glisse à l'intérieur d'une cellule vivante. Il s'allume en vert ou en rouge selon l'intensité du champ électrique qui l'entoure. A peine inventé, cet étonnant voltmètre a déjà fourni des informations inédites sur les cellules.

La sphère contient un pigment réagissant à la lumière bleue. Selon la charge électrique, elle émettra en retour une lumière rouge ou verte. © Katherine Tyner

A l'université du Michigan, les chercheurs qui l'ont mis au point l'appellent NOV, pour nano-optical voltmeter, voltmètre nano-optique. L'engin est une minuscule sphère de 30 nanomètres de diamètre et n'a rien d'un véritable voltmètre électronique que l'on aurait miniaturisé. Ses inventeurs le qualifient de photonique. Mille fois moins grand que le plus petit voltmètre réalisé à ce jour, le NOV contient un pigment électrochrome, changeant de propriétés optiques selon la charge électrique qui l'environne. Cet engin microscopique ne s'utilise pas isolément. Il en faut des milliers d'exemplaires, répartis dans le volume à étudier, que l'on éclaire à l'aide d'une lumière bleue. Les petites sphères réagissent en émettant une lumière qui va du vert au rouge selon la charge électrique. Le rapport entre le vert et le rouge dessine le champ électrique dans le volume.

Les NOV peuvent servir dans de multiples applications mais au sein de l'équipe de Raoul Kopelman, où le nanovoltmètre a été réalisé, une étudiante, Katherine Tyner (aujourd'hui à la FAA, Food and Drug Administration), l'a utilisé sur les cellules vivantes. Depuis longtemps, les biologistes s'intéressent aux phénomènes électriques dans la cellule, dont on sait qu'ils jouent un rôle important. Mais les chercheurs devaient jusque-là se contenter de mesurer les tensions sur les membranes, soit celle de la surface des cellules, soit, à l'intérieur, celles qui baignent dans le cytoplasme (le milieu intracellulaire), comme la paroi des mitochondries ou des canaux intracellulaires.

Aucune technique, en effet, ne permettait de mesurer correctement un champ électrique en trois dimensions, dans le volume même du cytoplasme. De plus, les rares procédés existants (faisant appel à la fluorescence ou à des molécules émettant dans l'ultraviolet) exigeaient une étape de calibration car les réponses différaient d'une cellule à l'autre à cause de multiples facteurs. Les NOV, eux, ne nécessitent aucune calibration.

Une structure complexe, mais demeurée invisible

Les connaissances sur les phénomènes électriques à l'intérieur des cellules restaient donc très parcellaires. Les scientifiques avaient résolu le problème d'une manière un peu cavalière : en décidant que le champ électrique du cytoplasme était homogène, donc inintéressant à étudier.

Katherine Tyner a vérifié à l'aide de ses tout nouveaux NOV : cette hypothèse simplificatrice est complètement fausse ! Ses petites sphères réparties à l'intérieur de la cellule lui ont envoyé des signaux verts et rouges en très grand nombre, dessinant des champs électriques pas du tout homogènes et particulièrement intenses : « jusqu'à 15 millions de volts par mètre » rapporte Raoul Kopelman. Par exemple, expliquent les chercheurs dans l'article publié par le Biophysical Journal, « les résultats indiquent que les champs électriques émanant de la surface des mitochondries pénètrent beaucoup plus profondément qu'on ne le pensait dans le cytoplasme » et concluent que ce dernier « ne peut pas être décrit comme une simple solution homogène mais plutôt comme un milieu complexe, hétérogène, comprenant des micro-domaines ».

On conçoit facilement que ces champs électriques, structurés en trois dimensions, puissent intervenir sur les délicats rouages de la mécanique chimique se déroulant à l'intérieur d'une cellule. Or, jusqu'à présent, ils étaient à peu près invisibles. C'est donc un domaine entier qui s'ouvre devant les biologistes et probablement des années de travail pour l'explorer.

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