Observer la danse des protéines sur des cellules vivantes grâce à la nanophotonique

Les membranes de nos cellules sont composées d’une multitude de biomolécules réalisant de nombreuses fonctions biologiques. Elles peuvent par exemple jouer le rôle de serrure pour ne laisser passer que certains types d’objets biologiques, sains ou malsains, on l’a vu récemment avec le COVID. Elles peuvent également servir de messagères pour transmettre d’autres informations aux cellules voisines. Comprendre la manière dont ces biomolécules telles que les protéines interagissent entre elles et se déplacent sur la membrane cellulaire est donc de prime importance pour comprendre ces différents processus biologiques. La difficulté pour observer ces phénomènes réside dans la taille caractéristique de ces molécules, qui n’est que de quelques nanomètres, rendant impossible leur visualisation avec des techniques classiques de microscope et la vitesse de déplacement de ces molécules sur la membrane qui requiert des temps d’acquisition extrêmement courts.
 
Un chercheur de l’INSP, avec des collègues de Barcelone[1], a utilisé une nanostructure photonique nanofabriquée à l’extrémité d’une pointe de fibre optique, pour  générer une nanosource de lumière sur la membrane de cellule vivante. Grâce à ce nano-outil et par l’utilisation de techniques de spectroscopie de fluorescence, cette équipe a étudié la dynamique et les interactions de protéines sur cette membrane, et cela, à l’échelle de la biomolécule unique. Du fait de l’extrême confinement de la lumière par ce nano-instrument, les chercheurs ont alors pu différencier la diffusion de clusters de ces protéines de leur diffusion à l’intérieur même des clusters. Ces résultats apportent une compréhension singulière des interactions entre biomolécules uniques à ces échelles spatiales et temporelles dans leur environnement naturel qu’est la cellule vivante.
 
C’est aujourd’hui l’unique technique permettant d’obtenir ce type d’information biologique.

Figure 1. Une nanostructure photonique fabriquée à l’extrémité d’une pointe fibrée permet de créer une nanosource de lumière que l’on peut placée très proche de la membrane d’une cellule vivante. Combinée à une technique de spectroscopie de corrélation de fluorescence, cette nanosource de lumière est alors utilisée pour étudier la diffusion et les interactions protéines-protéine à l’échelle de la molécule unique.

Ils ont montré en particulier comment par l’utilisation d’une nanostructure photonique à l’extrémité d’une pointe fibrée, on peut créer une nanosource de lumière à proximité de la membrane de cellule vivante. L’extrême confinement de la lumière par ce nano-objet permet d’illuminer une toute petite partie de cette membrane et donc d’étudier seulement quelques protéines dans un environnement qui est saturé de bio-molécules.

Cette nouvelle approche, couplée à une technique dite de spectroscopie de corrélation de fluorescence permet d’atteindre, en plus de cette résolution spatiale, une résolution temporelle typique de la diffusion des protéines sur la cellule vivante. Dès lors, en combinant une très haute résolution spatiale et temporelle, nous pouvons monitorer l’interaction protéine-protéine à l’intérieur même de clusters constitués de ces dernières, mais également étudier la diffusion de ces mêmes clusters sur la membrane cellulaire.

Ces recherches ouvrent la voie à l’étude de l’interaction protéique à l’échelle de la bio-molécule unique dans leur milieu naturel qu’est la cellule vivante. Ces informations sont essentielles pour comprendre d’un point de vue fondamental le fonctionnement de la machinerie cellulaire qui est d’une complexité infinie du fait des multiples interactions et autres boucles de rétroaction à l’échelle nanométrique et à des échelles de temps très courtes.

Référence
Broadband Plasmonic Nanoantennas for Multi-Color Nanoscale Dynamics in Living Cells
Maria Sanz-Paz, Thomas S. van Zanten, Carlo Manzo, Mathieu Mivelle* and Maria F. Garcia-Parajo*
Small 2023, 2207977
Publication Date: March 31, 2023
https://doi.org/10.1002/smll.202207977