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
