La détection des forces physiques est lun des défis les plus complexes à résoudre pour les sciences. Bien que la pomme de Newton ait résolu le problème de la gravité depuis longtemps, révéler les forces physiques qui agissent à lintérieur des cellules vivantes demeure lun des principaux défi de la biologie actuelle. Pourtant considérées comme jouant un rôle décisif dans de nombreux processus biologiques, aucun outil chimique permettant de visualiser ces forces physiques en action nexistait à ce jour. Mais aujourdhui, des chercheurs de lUniversité de Genève (UNIGE) et du Pôle National de Recherche (PRN) Biologie Chimique ont mis au point des sondes qui pénètrent dans les cellules, inspirées par le changement de couleur qui se produit lors de la cuisson du homard. Pour la première fois, des forces physiques peuvent être imagées en direct à lintérieur des cellules. Ces résultats, véritable tournant dans létude des sciences de la vie, sont à lire dans le Journal of the American Chemical Society.
La détection des forces physiques cellulaires est lun des objectifs centraux du PRN Biologie Chimique depuis sa création en 2010. «Notre approche pour la création de sondes de tension a été inspirée par le changement de couleur des crevettes, crabes ou homards pendant la cuisson», samuse Stefan Matile, professeur au Département de chimie organique de la Faculté des sciences de lUNIGE et membre du PRN. Chez les crevettes vivantes, les forces physiques exercées par les protéines environnantes aplatissent et polarisent le pigment caroténoïde, appelé astaxanthine, jusquà ce quil devienne bleu. «Pendant la cuisson, ces protéines se déplient, permettant ainsi au pigment du homard de reprendre sa couleur naturelle orange foncé», continue le chimiste genevois. Inspiré par ces crustacés, le développement de sondes fluorescentes fonctionnant sur le même principe a nécessité environ huit années de recherche.
Les sondes de force externes ont fait leurs preuves
Lannée dernière, les équipes du PRN ont finalement réalisé la première sonde fluorescente capable dimager les forces agissant sur la membrane externe des cellules vivantes, appelée membrane plasmique. Les demandes déchantillons provenant de plus de 50 laboratoires du monde entier en réponse immédiate à la divulgation de ces résultats témoignent de limportance de cette percée pour les sciences de la vie. Pour répondre à cette demande, les sondes de force de lUNIGE ont été commercialisées sous la marque Flipper-TR® à la fin de lannée dernière et détiennent la première place en termes dindicateurs de performance.
Et pour les forces internes des cellules ?
Létude des forces qui sappliquent à lextérieur des cellules ne se limite pas aux outils chimiques de limagerie par fluorescence. Les surfaces cellulaires sont accessibles à dautres outils physiques tels que les micropipettes, les pinces optiques, les lames ressorts de microscopes à force atomique, etc. «Mais ces outils physiques ne sont évidemment pas utilisables pour létude des forces sexerçant à lintérieur des cellules», relève Aurélien Roux, professeur au Département de biochimie de la Faculté des sciences de lUNIGE et membre du PRN. «Les organites tels que les mitochondries, responsables de la production dénergie, le réticulum endoplasmique, responsable de la synthèse des protéines, les endosomes, responsables du trafic de matériel vers et dans les cellules ou encore le noyau, qui stocke les informations génétiques, sont tout simplement hors de portée des outils physiques venus de lextérieur», spécifie-t-il. La visualisation des forces qui pilotent et contrôlent ces organites à lintérieur même des cellules était donc impossible, bien quessentielles pour comprendre leur fonction, jusquà aujourdhui !
Ce défi fondamental dans le domaine des sciences de la vie est maintenant relevé. Léquipe du PRN, dirigée par Stefan Matile, Aurélien Roux et Suliana Manley, professeure à lInstitut de physique de lEPFL et membre du PRN, a réussi à développer et faire entrer dans les cellules ces sondes et à marquer sélectivement les différents organites. Les chercheurs sont donc à présent capables de montrer, par exemple, comment la tension monte dans les mitochondries qui commencent à se diviser. «Pour la toute première fois, des forces physiques peuvent être imagées en direct à lintérieur des cellules», senthousiasme Aurélien Roux. Ce nouvel outil chimique permet enfin aux scientifiques de réaliser ce quils voulaient faire depuis très longtemps. «Ces nouvelles sondes nous offrent aujourdhui la possibilité de décomposer les mécanismes de la mécanobiologie et ainsi de révolutionner littéralement létude des sciences de la vie», conclut Stefan Matile.
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Journal
Journal of the American Chemical Society