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Des Nem pour dépister un cancer en pesant des molécules

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Un groupe de chercheurs du California Institute of Technology (Caltech) et du CEA-Leti à Grenoble a amélioré une technique basée sur un nanosystème électromécanique (Nem) à résonance. Déjà capable de peser des molécules organiques comme des anticorps, il peut désormais le faire avec une seule molécule et en temps réel.

Francis Aston (1877-1945) était un chimiste et physicien anglais. Il a reçu en 1922 le prix Nobel de chimie pour sa découverte, au moyen de son spectromètre de masse, des isotopes d'un grand nombre d'éléments non radioactifs. © The Nobel Foundation 1922

On sait peser des atomes et même des molécules légères depuis le début du XXe siècle grâce à la technique de spectrométrie de masse. Des débuts que l'on peut attribuer aux travaux de J.-J. Thomson consacrés à la séparation d'isotopes au néon mais c'est surtout à Arthur Dempster (sans oublier Francis Aston) que l'on doit des améliorations importantes. Car en 1918, il a développé le premier spectromètre de masse moderne, jetant les bases théoriques des instruments actuels, permettant aux physiciens d'identifier la masse des éléments dans un échantillon et de déterminer sa composition isotopique. Le spectromètre de masse de Dempster était plus de 100 fois plus précis que les versions précédentes.

Des molécules peuvent être pesées à l'aide de la spectrométrie de masse mais cela se révèle plus complexe avec de grosses protéines et des virus. Pour les besoins de la nanomédecine, il faudrait pouvoir mesurer rapidement et avec précision la masse de ces objets. Heureusement, la nanotechnologie apporte des réponses à ce problème.

Michael Roukes et les membres de son groupe de recherche (Roukes Group) du California Institute of Technology (Caltech) développaient depuis quelques années déjà un nanosystème électromécanique (Nem) à résonance pour peser mécaniquement des objets avec un poids moléculaire élevé. Ils viennent de joindre leurs forces à celles des membres du Laboratoire d'électronique des technologies de l'information (CEA-Leti) de Grenoble pour la réalisation d'une nouvelle version de ce système. Comme ils l'expliquent dans un article paru dans Nature Nanotechnology, il est désormais possible de peser des molécules une à une en temps réel.

Une photo prise au microscope électronique montrant le Nem. La section en forme de barre au centre vibre latéralement. L'échelle est donnée par une ligne en bas à gauche indiquant une distance de deux microns (2 millionièmes de mètre). © Caltech Scott Kelber and Michael Roukes

Le Nem construit par les chercheurs est une sorte de nanobarre pouvant vibrer un peu comme une corde vibrante selon plusieurs modes. En l'absence d'une molécule déposée sur cette barre, elle peut se mettre à vibrer avec une fréquence bien précise. Toutefois, comme cela a déjà été démontré en 2009, quand une molécule adhère à cette barre, la fréquence propre de résonance du Nem change.

Un Nem pour mesurer des taux d’immunoglobulines M

Mais comme on ne savait pas déterminer à quel endroit exact une molécule unique se trouvait sur la nanobarre, on ne pouvait pas directement associer une nouvelle fréquence de résonance à la masse de la molécule étudiée. Pour estimer celle-ci, il fallait moyenner plusieurs centaines de mesures effectuées sur la même molécule. Toutefois, des analyses plus précises des différents modes de vibration de la barre en fonction de la position de la molécule ont permis de déterminer comment des mélanges de ces modes de vibrations étaient des indicateurs tout à la fois de la position et de la masse de la molécule. Au final, il était possible d'extraire précisément une masse d'une seule mesure avec la présence d'une seule molécule.

Pour démontrer la capacité de leur Nem, les chercheurs ont pesé une molécule d'immunoglobulines M (IgM), un anticorps produit par les cellules immunitaires dans le sang. Cet anticorps existe sous différentes formes avec des masses et des structures variées. Remarquablement, le nouvel instrument des chercheurs leur a permis d'identifier ces différentes immunoglobulines M, réalisant la première pesée d'une molécule biologique à l'aide d'un dispositif issu de la nanotechnologie.

Comme ce dernier a été réalisé à l'aide de techniques bien rôdées de fabrication de semi-conducteurs, il devrait être possible d'assembler en masse des sortes de puces portant des centaines de milliers de Nem similaires. Les médecins pourraient alors disposer de spectromètres de masse miniatures, leur donnant accès rapidement à la composition du sang des patients. Il serait ainsi possible de surveiller leur système immunitaire en mesurant les taux de différentes IgM, permettant dans certains cas de diagnostiquer un cancer en voie de développement. Les biologistes pourraient aussi bénéficier de ces Nem qui, en identifiant rapidement des molécules, amélioreraient la compréhension des cascades de réactions chimiques dans les cellules.

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