Personnaliser l'interaction lumière-molécule à l'échelle nanométrique
Le transfert d'énergie entre molécules fluorescentes (FRET) est l'une des méthodes les plus utilisées pour mesurer la distance, la structure et l'association entre les molécules à l'échelle nanométrique. Cette méthode est cependant loin d'être parfaite. Son application est sévèrement limitée dans différents domaines des sciences physiques et analytiques, en particulier pour mesurer des distances inférieures à 8 nanomètres. Pour étendre l'utilisation du FRET, le projet EXTENDFRET, financé par l'UE, a développé une méthode innovante d'utilisation de la nanophotonique pour adapter l'interaction lumière-molécule à l'échelle nanométrique. «Même si la nanophotonique avait déjà permis de contrôler les propriétés de fluorescence d'émetteurs isolés, on ne savait pas avant nos recherches si elle pouvait réellement amplifier le FRET», déclare Jerome Wenger, coordinateur du projet. «Répondre à cette question était essentiel à l'utilisation de la nanophotonique pour amplifier le processus de FRET largement utilisé dans les sciences de la vie et les biotechnologies.» Une démonstration non ambigüe Le transfert d'énergie entre les molécules, un phénomène essentiel pour la photosynthèse, le photovoltaïque et les biotechnologies, est favorisé lorsqu'elles sont placées dans un environnement qui confine la lumière. L'objectif du projet EXTENDFRET était de contrôler et amplifier ce transfert d'énergie entre les molécules en utilisant des structures optiques gravées à l'échelle nanométrique. Pour cela, les chercheurs ont réalisé des expériences au niveau de la molécule isolée, contrôlant à la fois le donneur et le récepteur des émissions, dans un large éventail de conditions expérimentales. Ils ont par exemple préparé des paires de donneur et d'accepteur d'énergie liées par un ADN rigide à double brin. Ces paires ont ensuite insérées dans des ouvertures de dimensions nanométriques percées dans un film d'or. En mesurant avec précision les propriétés des radiations des paires de molécules, les chercheurs ont pu démontrer que le taux de transfert d'énergie entre les molécules est six fois plus élevé lorsqu'elles sont placées dans une nano-ouverture. EXTENDFRET apporte une démonstration non ambigüe de l'influence de l'environnement photonique sur le taux de FRET dans les nanostructures plasmoniques. Plus précisément, cette recherche a débouché sur une augmentation importante du taux de FRET, montrant que la nanophotonique est particulièrement adaptée pour amplifier le FRET dans le cas d'importantes distances donneur-accepteur. «Au début du projet, on pensait généralement qu'il était impossible d'utiliser la nanophotonique pour contrôler le transfert d'énergie entre molécules», déclare M. Wenger. «Notre recherche a clairement prouvé le contraire.» De nouvelles portes s'ouvrent Ces résultats prometteurs ont ouvert la voie à l'amélioration d'un processus de transfert d'énergie largement utilisé dans les sciences de la vie et les biotechnologies, grâce à des nanostructures optiques ayant des applications possibles pour les biocapteurs, les sources de lumière et le photovoltaïque. Par exemple, en utilisant un FRET à longue portée, les chercheurs peuvent maintenant mieux comprendre la structure de pliage des grandes molécules d'ADN et de protéines. «Cette technologie améliorera la compréhension de l'expression et de la régulation des gènes, ainsi que la mise au point de médicaments», déclare M. Wenger. D'un côté, ces résultats établissent clairement que le FRET peut être contrôlé grâce à la nanophotonique, ce qui ouvre la voie à l'amélioration par la nanophotonique de l'utilisation du FRET dans le photovoltaïque, les sources lumineuses organiques et les biocapteurs. D'un autre côté, la nouvelle observation d'une amplification importante du FRET pour les grandes distances donneur-accepteur ou l'orientation perpendiculaire entre le donneur et l'accepteur apporte un nouveau modèle pour l'étude de structures biochimiques dont les distances donneur-accepteur vont bien au-delà de la portée habituelle du FRET. Le projet travaille actuellement sur l'utilisation de sa preuve de concept pour des applications plus orientées vers la biologie, telles que l'étude de la dynamique protéique pour l'association moléculaire et les modifications structurelles. Le projet a d'autre part déposé deux demandes de brevet en microscopie optique.
Mots‑clés
EXTENDFRET, FRET, nanophotonique, biotechnologie, sciences de la vie
