Un microscope à force photonique haute résolution pour observer des cellules biologiques
Le microscope à force photonique (PhFM) est mieux adapté que le microscope à force atomique (AFM) à l'observation des tissus mous, notamment des cellules biologiques. Mais sa résolution restait encore insuffisante. Des chercheurs de l'Institut d'électronique et des systèmes et du Centre de biochimie structurale ont obtenu des images haute résolution, grâce à un procédé de nanofabrication des pointes du PhFM. Les résultats sont publiés dans la revue Nano Letters.
Le microscope à force atomique (AFM), dont la pointe balaye la surface d'un échantillon, permet d'obtenir des images de sa topographie avec une précision de l'ordre du nanomètre. Mais son utilisation est réservée aux matériaux rigides, en raison de la force relativement importante qu'il exerce sur la surface (10 à 100 picoNewton). Sur le même principe, le microscope à force photonique (PhFM) est un nouvel instrument mieux adapté aux matériaux mous, en particulier aux tissus biologiques, car il exerce une force bien plus faible (moins d'un picoNewton). Mais jusqu'ici, son usage était limité par sa faible résolution, très inférieure à celle de l'AFM.
Cet obstacle vient d'être franchi par une équipe de chercheurs de l’Institut d'électronique et des systèmes (IES, CNRS/Université de Montpellier) et du Centre de biologie structurale (CBS, CNRS/Université de Montpellier/Inserm), qui ont conçu et réalisé un microscope PhFM haute résolution. Avec cet instrument, ils ont obtenu des images de la surface de globules rouges infectés par la malaria, et observé la présence de protubérances ("knobs") de moins de 100 nm sur la membrane de la cellule, caractéristiques de la présence de parasites dans les globules. Ce type de structures biologiques étaient jusqu'ici impossibles à observer avec un PhFM, dont la résolution était de l'ordre de quelques centaines de nanomètres.
Dans un microscope PhFM, la pointe qui balaye la surface à imager est en fait une microparticule piégée par un faisceau laser (une "pince optique"). Les particules utilisées sont en général sphériques et d’un diamètre supérieur à 100nm. Leur géométrie et leur taille limitent la résolution. La collaboration entre les chercheurs de l'IES (axés sur la nanofabrication) et ceux du CBS (spécialistes des pinces optiques pour la recherche en biologie), a permis de mettre au point une technologie de PhFM basée sur des particules de quartz de formes cylindriques (500 nm de diamètre, 1,8 micron de haut), terminées par une pointe. Ces particules sont fabriquées de manière collective (plusieurs millions sur un échantillon de 2x2 cm) en utilisant les moyens de la salle blanche CNRS/Université de Montpellier (lithographie d'interférence, gravure plasma).
Pour améliorer encore les performances de leur PhFM, les chercheurs doivent maintenant optimiser la forme des particules, et expérimenter d'autres matériaux que le quartz. Ils vont également développer des stratégies permettant de s'affranchir des collages entre la pointe et les cellules, qui perturbent la mesure. Par ailleurs, ils envisagent d'explorer l'utilisation du même dispositif comme nanomanipulateur pour la recherche en biologie, en piégeant des molécules uniques- protéines ou fragments d'ADN.
Schéma en 3D d’une particule cylindrique supportant une pointe piégée dans une pince optique et utilisée en mode microscope à force photonique pour imager la surface d’un globule rouge.
Références
High-Resolution Photonic Force Microscopy Based on Sharp Nanofabricated Tips,
R. Desgarceaux, Z. Santybayeva, E. Battistella, A. L. Nord, C. Braun-Breton, M. Abkarian, O. M. Maragò, B. Charlot, F. Pedaci.
Nano Letters (mai 2020)
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c00729