Le cœur de cette étude est une microcavité fibreuse. Ici, on peut voir une petite dépression concave à la surface d’une fibre optique. Les chercheurs ont utilisé une microcavité avec deux miroirs concaves, mais cette image d’une seule microcavité concave facilite la visualisation de la configuration du miroir à fibre. Crédit : Photo de Carlos Saavedra / UW – Madison
Les scientifiques de l'Université du Wisconsin-Madison ont développé une nouvelle méthode très sensible pour détecter et analyser des molécules uniques sans utiliser de marqueurs fluorescents, transformant potentiellement la recherche en matière de découverte de médicaments et de science des matériaux.
Des chercheurs de l'Université du Wisconsin-Madison ont développé la méthode la plus sensible à ce jour pour détecter et profiler une seule molécule, ouvrant ainsi la voie à un nouvel outil susceptible de mieux comprendre comment les éléments constitutifs de la matière interagissent les uns avec les autres. La nouvelle méthode pourrait avoir des implications dans des domaines aussi variés que la découverte de médicaments et le développement de matériaux avancés.
La réussite technique, détaillée dans un article publié dans la revue Nature, marque une avancée significative dans le domaine en plein essor de l’observation de molécules individuelles sans l’aide de marqueurs fluorescents. Bien que ces marqueurs soient utiles dans de nombreuses applications, ils modifient les molécules de manière à masquer la façon dont elles interagissent naturellement les unes avec les autres. La nouvelle méthode sans étiquette rend les molécules si faciles à détecter que c'est presque comme si elles portaient des étiquettes.
«Nous sommes très enthousiastes à ce sujet», déclare Randall Goldsmith, professeur de chimie à l'UW-Madison qui a dirigé les travaux. « Capturer les comportements au niveau de molécules uniques est une manière incroyablement informative de comprendre des systèmes complexes, et si vous pouvez créer de nouveaux outils offrant un meilleur accès à cette perspective, ces outils peuvent être vraiment puissants. »
Alors que les chercheurs peuvent glaner des informations utiles en étudiant des matériaux et des systèmes biologiques à plus grande échelle, Goldsmith affirme que l'observation du comportement et des interactions entre des molécules individuelles est importante pour contextualiser ces informations, conduisant parfois à de nouvelles connaissances.
« Quand on voit comment les nations interagissent les unes avec les autres, tout se résume à des interactions entre individus », explique Goldsmith. « On ne penserait même pas à comprendre comment des groupes de personnes interagissent les uns avec les autres tout en ignorant la façon dont les individus interagissent les uns avec les autres. »
L’importance de l’observation d’une seule molécule
Goldsmith poursuit l'attrait des molécules uniques depuis qu'il était chercheur postdoctoral à l'Université de Stanford il y a plus de dix ans. Là, il a travaillé sous la direction du chimiste WE Moerner, qui a reçu le prix Nobel de chimie en 2014 pour avoir développé la première méthode d'utilisation de la lumière pour observer une seule molécule.
Depuis le premier succès de Moerner, des chercheurs du monde entier ont conçu et perfectionné de nouvelles façons d'observer ces minuscules morceaux de matière.
La méthode développée par l’équipe UW-Madison repose sur un dispositif appelé microrésonateur optique, ou microcavité. Comme son nom l’indique, la microcavité est un espace extrêmement petit où la lumière peut être piégée à la fois dans l’espace et dans le temps – au moins pendant quelques nanosecondes – et interagir avec une molécule. Les microcavités se trouvent plus souvent dans les laboratoires de physique ou de génie électrique, et non dans les laboratoires de chimie. L'histoire de Goldsmith en matière de combinaison de concepts issus de domaines scientifiques disparates a été reconnue en 2022 par un prix Polymath de Schmidt Futures.
Les microcavités sont construites à partir de miroirs incroyablement petits construits directement au-dessus d'un câble à fibre optique. Ces miroirs à fibres optiques font rebondir la lumière plusieurs fois et très rapidement dans la microcavité.
Applications potentielles et développements futurs
Les chercheurs laissent les molécules tomber dans la cavité, laissent passer la lumière et peuvent non seulement détecter la présence de la molécule, mais également obtenir des informations à son sujet, telles que la vitesse à laquelle elle se déplace dans l'eau. Ces informations peuvent être utilisées pour déterminer la forme ou la conformation de la molécule.
« La conformation au niveau moléculaire est extrêmement importante, en particulier pour réfléchir à la façon dont les biomolécules interagissent les unes avec les autres », explique Goldsmith. « Disons que vous avez une protéine et un médicament à petites molécules. Vous voulez voir si la protéine est médicamentable, c'est-à-dire : « Le médicament a-t-il une sorte d'interaction majeure avec la protéine ? Une façon de le constater est de savoir si cela introduit un changement conformationnel.
Il existe d’autres moyens de procéder, mais ils nécessitent de grandes quantités d’échantillons et des analyses fastidieuses. Avec la technique de microcavité nouvellement développée, Goldsmith déclare : « Nous pouvons potentiellement créer un outil de boîte noire pour nous donner la réponse en quelques dizaines de secondes. »
L'équipe, qui comprenait Lisa-Maria Needham, une ancienne chercheuse postdoctorale aujourd'hui directrice de laboratoire à l'Université de Cambridge, a déposé un brevet pour l'appareil. Goldsmith affirme que le dispositif et les méthodes seront perfectionnés au cours des prochaines années. En attendant, il dit que lui et ses collaborateurs réfléchissent déjà aux nombreuses façons dont cela pourrait être utile.
« Nous sommes enthousiasmés par de nombreuses autres applications en spectroscopie », dit-il. « Nous espérons pouvoir utiliser cela comme un tremplin vers d'autres moyens d'en apprendre davantage sur les molécules. »
Cette recherche a été principalement financée par le Instituts nationaux de la santé (R01GM136981), avec une construction de résonateur soutenue par le Q-NEXT Quantum Center, un département américain de l'énergie, un bureau des sciences, un centre national de recherche sur la science de l'information quantique, sous le numéro d'attribution DE-FOA-0002253.
