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Des bulles de graphène piègent des molécules sous le microscope

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Le comportement de molécules biologiques importantes est probablement différent dans un milieu aqueux ou non. On ne peut malheureusement que difficilement le vérifier avec un microscope électronique, qui doit opérer sous vide et donc conduit à l'évaporation de l'eau associée à un échantillon. Une parade a été trouvée : l'échantillon peut être enfermé avec de l'eau dans une sorte de capsule de graphène. On espère maintenant percer certains mystères de maladies peut-être associées à des modifications infimes de la structure de protéines comme la ferritine.

Dans cette image générée par un microscope électronique à transmission, les points blancs sont des échantillons de ferritine, une protéine. Le cercle noir au milieu est une bulle de liquide emprisonnée dans la capsule de graphène entourant l'échantillon. © Michigan Technological University

On fait remonter à 1923 la découverte théorique des ondes de matière. Cette année-là, Louis de Broglie passait sa thèse en physique, consacrée à développer cette idée. Sceptique, l'un des rapporteurs, le physicien Paul Langevin, n'en communiqua pas moins les travaux de son collègue à Albert Einstein. Sa réponse est restée célèbre : « il a levé un coin du grand voile ». Dès 1931, les ingénieurs allemands Ernst Ruska et Max Knoll mirent à profit les découvertes du savant français pour réaliser le premier prototype de microscope électronique. Bien que ne rivalisant pas à ses débuts avec un microscope classique, il ne fallut que deux années pour que la résolution d'un microscope électronique surpasse celle de ses homologues optiques.

Une présentation de certaines des possibilités d'observation avec un microscope électronique. © CEAsciences CEA, YouTube

La microscopie électronique s'est depuis lors largement développée, couvrant un très vaste domaine allant de l'observation d'échantillons biologiques, comme le noyau des cellules, à l'analyse d'échantillons industriels pour la métallurgie ou l'industrie des semi-conducteurs. Toutefois, elle a au moins un inconvénient lorsqu'on veut étudier des molécules ou un matériel biologique dans de l'eau liquide. En effet, la technique suppose que les faisceaux d'électrons utilisés pour illuminer les échantillons se déplacent dans le vide. Dans ces conditions, l'eau s'évapore, interdisant d'observer dans des conditions naturelles. Un biais apparaît donc systématiquement dans l'étude des propriétés de matériels biologiques. En général, on refroidit un échantillon à très basse température pour le couper en tranches très fines par un ultramicrotome.

Du graphène pour la nanomédecine

On peut tenter de contourner l'obstacle en enfermant un peu de liquide avec l'objet dans une cellule transparente constituée de nitrure de silicium, mais cela induit une perte de résolution des images. En outre, on ne peut plus compléter les observations par des mesures spectroscopiques.

Des images prises en microscopie électronique à balayage par transmission. Elles montrent de la ferritine dans les cellules liquides de graphène (ou GLC). Les bulles ont été formées pour confirmer la présence de liquide. Les franges de réseau du fer de la ferritine sont résolues dans l’image de droite avec un espacement de 0,27 nanomètre. © Canhui Wang et al., Advanced Materials

Depuis quelques années, on explore cependant une voie alternative qui donne des résultats intéressants. On emprisonne des échantillons de liquide contenant l'objet que l'on veut étudier dans ces conditions avec des feuillets de graphène. Récemment, un groupe de chercheurs de l'université de l'Illinois est parvenu de cette façon à obtenir des images de protéines avec une résolution de l'ordre de la taille des atomes.

Microscopie électronique et spectroscopie par rayons X

Comme ils l'expliquent dans un article publié dans Advanced Materials, les biophysiciens ont jeté leur dévolu sur une protéine bien connue, la ferritine. Elle permet chez l'Homme de stocker et de libérer le fer dans l'organisme selon les besoins. On soupçonne qu'elle pourrait jouer un rôle dans le développement de la maladie d'Alzheimer, et même certains cancers. Grâce au graphène, les chercheurs ont pu étudier son comportement dans de l'eau liquide plus en détail. En outre, ils ont pu utiliser une méthode de spectroscopie par rayons X en complément des images obtenues pour mieux comprendre ce qui se passe quand la ferritine libère du fer.

En principe, ces travaux pourraient permettre de comparer l'état de la ferritine dans des tissus sains et celui dans des tissus malades en décelant d'infimes variations qui apporteraient une meilleure compréhension de l'apparition d'une maladie. Ce qui pourrait déboucher sur la mise au point de nouveaux traitements.

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