Etude dynamique et structurale de biomolécules par HS-AFM – HS-NANOBIO-IMAGING

Le projet HS-NANOBIO-IMAGING vise à développer l’imagerie ultra-rapide des biomolécules basés sur la microscopie atomique de force (AFM). Les instruments AFM conventionnels sont limités par deux facteurs importants : imagerie lente (typiquement 512 s pour 512x512 pixels balayés à 1 hertz), polyvalence difficile en comparaison de la plupart des autres types de microscopies utilisées en recherche biomédicale. Le projet se situe dans la continuité des recherches développées à l'université de Kanazawa : boucle de contre-réaction dynamique, détecteur rapide de phase pour la modulation d'amplitude d’oscillation (AM-AFM), détecteur de déplacement de fréquence (FM-AFM), compensateur pour la dérive, asservissement photothermique des leviers avec compensation de phase, utilisation de leviers AFM miniaturisés (7 Ym long x 2 Ym large). Les développements récents de l'instrument ont déjà permis la prise d’images à plus de 50 images par seconde sur différentes biomolécules en solution. Le champ d’investigation de cette technologie en biologie est presque infini puisque l'évolution temporelle (dimension additionnelle) des processus biologiques est évaluée (dynamique structurale et fonctionnelle). Le consortium actuel impliquant des biologistes, des physico-chimistes, et des physiciens, avec des compétences démontrées en AFM appliquée à la biologie, veut implémenter l'instrument et concevoir des applications originales et spécifiques liées à cette technologie en France. Les équipes se concentreront sur l'étude des processus connexes aux membranes (importants dans la signalisation, le transport, et la génération d'énergie), l’étude des complexes protéine-ADN(importants dans le règlement génétique et la transcription), l'étude des effets de la nature de la surface et du confinement sur la sélectivité, la réactivité et l'activité biologique de protéines (affinité protéines-surfaces) importante dans le cadre du développement des bio-capteurs. Les partenaires chercheront à améliorer la polyvalence et la facilité d'emploi du prototype HS-AFM. En particulier, nous voulons rendre ces AFMs utiles pour une large variété d'échantillons biologiques en conditions physiologiques. Afin d'atteindre ce but, les effets hydrodynamiques et thermiques induits respectivement par la vitesse de balayage et le spot laser focalisé sur le levier micrométrique devront être considérés. La dynamique moléculaire peut être affectée par de tels facteurs.Afin d'améliorer le comportement mécanique de l'unité de balayage AFM, nous devons développer de nouveaux substrats, de nouveaux leviers, de nouvelles cellules liquide, et de nouveaux scanners piézoélectriques offrant une gamme maximum de balayage de quelques dizaines de microns. Nous avons débuté, en collaboration avec Olympus, des essais préliminaires sur des leviers ayant des fréquences de résonance en solution supérieures à 1 mégahertz. Les leviers miniatures représentent un progrès technologique déjà bien connu par les experts du développement de l’AFM, qui les avaient prévus pour augmenter considérablement la vitesse et la résolution de l’AFM dans de nombreuses applications. Ces progrès sont particulièrement significatifs pour les applications biologiques, dans lesquelles une interaction minimale et un contraste maximum au niveau des images sont recherchés. Notre implémentation des HS-AFMs pour des applications biomédicales est basée sur la longue tradition de recherche dans le domaine biomédical des différents partenaires. Le projet combine étroitement des approches de développements technologiques et d’imagerie afin de produire un instrument convivial. La formation d’images à la vitesse vidéo doit être routinière sur les matériaux biologiques ou les molécules organiques sans impliquer d’artefacts dus aux dommages des spécimens ou des nanostructures façonnée, s’inhérents à la conception ou à la vitesse d’acquisition.