Nanobiologies:le laboratoire en miniature

Les pinces optiquesL’outil de manipulation des molécules biologiques

Alexandre LewalleLondon Centre for Nanotechnology

Les nanosciences appliquées à la biologie, ça peut être:

• Le fait de mesurer, de manipuler et de controler des phénomènes biologiques au niveau atomique et moléculaire;

• Simuler de manière artificielle des phénomènes biologiques complexes. Epurer et simplifier ces systèmes pour n’en garder que les composantes essentielles;

• Mettre en évidence sous le microscope les aspects mécaniques des phénomènes moléculaires et cellulaires. Considérer les molécules comme des entités mécaniques, et pas seulement chimiques.

Pourquoi les physiciens s’intéressent à la bio : La mécanique à toutes les échelles

1 m 10 nm

La nature nous fournit des exemples de « nanomachines »:

• de grande précision

• de haute efficacité

• reproductibles

• multifonctionnelles

La myosine : le moteur moléculaire

2 espèces de protéines: actine myosine

MYOSINE

ACTINE

Le changement de conformation génère la force.L’ATP sert de carburant.

De plus près...

Nano = “petit”mais petit comment ?...

• Longueurs: 10-9 m ~ 10-8 m (échelle nm)

• Energies: 10-21 J ~ 10-19 J• Forces: 10-12 N ~ 10-11 N (échelle pN)

LE DEFI :

trouver des outils adaptés à ces échelles

(Hydrolyse de l’ATP ~ 80 x 10-21 J)

Principe des pinces optiques:exploitation de la force photonique

Quantité de mouvement par photon:

p = h /

Ordre de grandeur:

Puissance laser 0.1W

Longueur d’onde 1000 nm

c. à d. ~ 5x1017 photons/seconde

F ~ 3 pN

Une micro-bille comme support

Le point focal de l’objectifest le point d’attraction de la pince

Objectif à grande ouverture numérique

1 m

La pince optique: un système élastique quasi-linéaire

CENTRE FOCAL x

z

FORCE

Force = x x

x <x2> = kBT

ressort axial

ressort radial

La peche aux billesLa peche à l’actine

displacement (nm)

-10 0 10 20 30

no. o

f eve

nts

0

20

40

60

80

100

120

event frequency free Gaussian

10 nm

Detecteurs photodiodes de position

Décallage = 10 nm = déplacement du levier

oscilloscope

Image video

Moyenne des positions:

état détaché état attaché

Etirer la molécule pour mesurersa constante de raideur

23.2 23.3 23.4 23.5 23.6

-50

0

50

100

150100 nm

0.1 s

BEAD 1R1 = 0.126

BEAD 2R2 = 0.053

0 2 4 6 80

5

10

15

dxM (nm)

dF M

(p

N) 2.2 pN/nm

Détricoter une molécule d’ADN

zs tage

zbead

La pince optique pour mesurer la raideur d’une membrane

Les défis d’une expérience « nano »

• Mesurer sans (trop) perturber• Le bruit

– Isolation sonore– Isolation thermale– Mouvement brownien

Problèmes à éviter ou à en tirer parti?....

Le système de pince optiqueplatine piezoélectrique

Laser infrarouge