Visualiser en temps réel l’activité des enzymes et l’expression des gènes dans une seule cellule vivante, cela semble impossible. C’est pourtant ce que commencent à faire des membres du Biomolecular Nanotechnology Center à Berkeley. La clé : l’injection de nanoparticules d’or dans la cellule.
L’idée d’utiliser des nanoparticules d'or en biologie et en médecine n’est pas nouvelle. Luke Lee lui-même, co-auteur de cette nouvelle expérience décrite dans Nature Methods, professeur de bio-ingénierie et directeur de l'UC Berkeley's Biomolecular Nanotechnology Center, avait déjà conduit des études similaires avec l’ADN.
L’emploi de nanoparticules d’or pour suivre la dynamique des réactions moléculaires à l’intérieur des cellules est intéressant à plus d’un titre.
En premier lieu, d’autres techniques, comme la résonance magnétique nucléaire, ne fournissent au mieux que des informations sur un amas de cellules. Ce n’est pas particulièrement efficace si l’on se donne comme objectif de déterminer les premiers signes de la progression d’une maladie ou si l’on veut comprendre les mécanismes de la prolifération des cellules souches. Pour faire mieux, il faut descendre au niveau de la dynamique moléculaire au sein d'une seule cellule.
Enfin, jusqu’à présent, pour suivre les processus biochimiques et les interactions entre les différents composants d’une seule cellule, il n’existait pas vraiment de méthodes non invasives. Il fallait ouvrir, et donc tuer, la cellule : évidemment un gros inconvénient pour étudier le fonctionnement d’une cellule vivante.
Le but : les cellules souches
Or, d’après Luke Lee, « il y a beaucoup d'espoirs pour traiter les maladies qui sont actuellement placées dans l’étude des cellules souches. Mais l'un des plus grands défis dans ce domaine est de comprendre exactement comment se différencient les cellules individuelles, c'est-à-dire ce qui se passe au sein d'une cellule souche et ce qui fait qu’elle va se développer pour donner un muscle cardiaque au lieu d’une dent ou d'une mèche de cheveux. Il est alors impératif que nous puissions suivre les détails des interactions entre les protéines et les gènes lorsqu’ils fonctionnent ensemble dans une cellule. »
La technique pour visualiser l'activité dans une cellule unique est alors la suivante, comme il l'explique dans Quantized plasmon quenching dips nanospectroscopy via plasmon resonance energy transfer.
Les chercheurs se sont intéressés aux cytochromes C, des petites protéines impliquées dans la chaîne respiratoire et dans la mort cellulaire (apoptose) installées sur la paroi interne des mitochondries chez les eucaryotes et sur la membrane cellulaire chez les procaryotes. Ils ont réussi à leur associer des nanoparticules d’or mesurant de 20 à 30 nanomètres de long.
Ces nanoparticules possèdent une fréquence d’absorption de la lumière plus facile à identifier que celle des cytochromes.
Une technique efficace
Alors qu’il faudrait disposer de plusieurs centaines à plusieurs millions de cellules pour avoir un signal optique exploitable causé par l’absorption de la lumière à travers une solution, et surtout détecter les subtils changements de fréquence d’absorption causés par les interactions des protéines de cytochromes dans les cellules, il en faut beaucoup moins avec cette méthode.
Au lieu de plusieurs millions de molécules nécessaires pour détecter leur présence dans une solution, cette méthode n'en exige plus que quelques dizaines. Les chercheurs ont utilisé la même technique avec l’hémoglobine, cette fois en lui fixant non plus des nanoparticules d’or mais d’argent. Des résultats similaires ont été obtenus.
Cette technique pourrait ouvrir la voie à une nouvelle ère dans l'imagerie moléculaire, avec des implications pour la découverte de nouveaux médicaments. Pouraient alors voir le jour des diagnostics biomédicaux dignes de ce que les chercheurs appellent la médecine personnalisée, avec des traitements spécifiques à chaque individu.
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