Combien pèse une molécule d’après vous ? Pour rappel, une molécule est un groupe unique d’atomes liés, comme par exemple les deux atomes d’hydrogène et un d’oxygène qui forment H2O…Une mole d’eau, qui représente 18 grammes environ, a 602 214 078 000 000 000 000 000 molécules. Les molécules sont donc, extrêmement minuscules.
Jusqu’à présent, les scientifiques ne pouvaient que calculer la masse de grands groupes de molécules, en les ionisant (en leur donnant une charge électrique) afin de voir avec quelle force elles interagissaient avec un champ électromagnétique, une technique connue sous le nom de spectrométrie de masse. Cependant, ils n’avaient aucun moyen de mesurer la masse d’une seule molécule.
Mais cette semaine, les scientifiques de l’institut californienne de technologie, Caltech, ont annoncé l’invention d’un dispositif qui permet de mesurer directement la masse d’une molécule individuelle. Le minuscule appareil est construit autour d’une structure en forme de pont qui vibre à une fréquence spécifique, basée sur la masse de la molécule sur le dessus de celui-ci. Par le précis suivi de la fréquence de vibration du pont, on peut déterminer la masse exacte de la molécule.
À l’œil nu, le dispositif est essentiellement invisible, l’échelle notée en bas de l’image est à deux microns de longueur, ou deux millionièmes de mètres. Le pont vibrant en son centre est techniquement connu sous le nom de Nanosystème électromécanique à résonance et est en développement depuis plus d’une décennie.
Dans une précédente innovation, publiée en 2009, les chercheurs ont montré qu’ils pouvaient mesurer la masse de particules pulvérisées sur l’appareil, mais avec une limite : ce n’était pas assez sensible pour mesurer une seule molécule à la fois, car l’endroit précis où une particule atterrit affecte la fréquence de vibration et les scientifiques n’avaient aucun moyen de savoir où exactement elle viendrait se poser. Ils avaient besoin d’appliquer plusieurs centaines de particules identiques afin de déterminer une moyenne, qui devait révéler la masse.
Cette récente technique se sert d’un nouveau point de vu sur la façon dont la fréquence de vibration du pont change quand une molécule est pulvérisée dessus. Les vibrations se produisent simultanément dans deux modes : le premier mode est l’oscillation cote à cotes, tandis que le second mode se produit sous la forme d’une oscillation d’onde en forme de S qui se déplace de haut en bas du pont. En analysant exactement comment chacun de ces modes change lorsque la molécule heurte le dispositif, les chercheurs ont découvert qu’ils pouvaient déterminer sa position et donc sa masse exacte.
Dans l’étude, les chercheurs ont démontré l’efficacité de l’outil en mesurant la masse d’une molécule appelée immunoglobuline M (IgM), un anticorps produit par les cellules immunitaires dans le sang et qui peut exister sous plusieurs formes différentes. En pesant chaque molécule, ils ont pu déterminer exactement le type d’IgM, faisant ainsi allusion à de potentielles futures applications médicales. Un type de cancer, appelé maladie de Waldenström, par exemple, se traduit par un ratio particulier de molécules d’IgM dans le sang d’un patient, ainsi les futurs instruments, s’appuyant sur ce principe, pourraient surveiller le sang pour détecter les déséquilibres des anticorps indicatifs d’un cancer.
Les scientifiques ont également envisagé ce type de dispositif comme une aide aux chercheurs en biologie, cherchant à déterminer le mécanisme moléculaire à l’intérieur d’une cellule. Puisque les enzymes qui stimulent le fonctionnement d’une cellule sont fortement tributaires d’attaches moléculaires à leur surface, peser précisément les protéines à différents moments et dans différents types de cellules, pourrait nous aider à mieux comprendre les processus cellulaires.
L’équipe prévoit même que leur invention pourrait avoir des applications commerciales quotidiennes. Pour les contrôleurs environnementaux qui suivent la pollution des nanoparticules dans l’air, par exemple, qui pourraient être activés par un réseau de ces ponts vibrants. Surtout, disent les scientifiques, l’appareil a été construit en utilisant des méthodes de fabrication de semi-conducteur standard, les même utilisé dans les circuits électriques communs, il peut donc, théoriquement, être étendu à des appareils qui comprennent des centaines ou des dizaines de milliers de capteurs de molécule unique fonctionnant en même temps.
L’étude publiée sur Nature Nanotechnology : Single-protein nanomechanical mass spectrometry in real time et le site du laboratoire qui a effectué la recherche, dépendant de Caltech : Nanoscale Systems.
