Microscopie et spectroscopie AFM à ultra haute vitesse et haute résolution de systèmes biologiques – HERMES

Les 4 tâches scientifiques du projet HERMES se déclinent en : (i) Conception et fonctionnement des sondes AFM optomécaniques ultra-rapides en milieu liquide, jusqu’au GHz (ii) Fabrication des sondes optomécaniques en silicium, (iii) Instrumentation et intégration système pour la spectroscopie et imagerie de force à très haute vitesse, (iv) Expériences de spectroscopie et de microscopie AFM sur les systèmes biomoléculaires. Pour les accomplir, HERMES s’appuie sur un consortium de 4 laboratoires : le LAAS-CNRS à Toulouse, le CEA-LETI à Grenoble, MPQ-Univ. Paris-CNRS à Paris et le DyNaMo à Marseille. Une partie de ce consortium a déjà travaillé ensemble au cours du projet ANR OLYMPIA. Dans le cadre d’HERMES, il intègre une équipe de biophysique pour aboutir à des réalisations d'intérêt en biologie. Chaque équipe est experte dans son domaine (instrumentation AFM au LAAS, technologies photoniques et MEMS silicium au CEA-LETI, optomécanique -y compris dans les liquides- à MPQ, AFM à haute vitesse pour la biologie au DyNaMo).

Des avancées significatives ont été obtenus sur plusieurs aspects clés du projet :

Conception et réalisation de composants optomécaniques : Nous avons mené une étude approfondie des modes optiques et mécaniques pour dimensionner des sondes capables de fonctionner jusqu'à 1 GHz. La fabrication collective de ces dispositifs a été réalisée sur une technologie «photonique silicium«. Ces composants ont été caractérisés, validant le dimensionnement théorique.

Technologies de détourage des sondes : Nous avons développé deux méthodes complémentaires pour rendre la pointe dépassante, élément crucial pour l'utilisation en AFM : (i) une méthode semi-collective combinant découpe par scie (saw dicing) et gravure plasma, et (ii) une méthode entièrement collective à l'échelle de la plaque, utilisant des techniques d'alignement et de gravure face arrière précisément contrôlés.

Actionnement en milieu liquide : Nous avons étudié et mis en œuvre expérimentalement différentes approches d'actionnement des sondes optomécaniques en milieu liquide, explorant à la fois les voies optique et électrique pour déterminer la solution optimale.

Applications en biophysique : Des mesures préliminaires en spectroscopie de force AFM ont été réalisées pour étudier le dépliement de la bactériorhodospine (expériences à l'air), démontrant la possibilité d'aborder des questions biologiques pertinentes.

Au terme du projet, les sondes et instruments à très haute vitesse développés dans HERMES permettront d’accéder à la dynamique rapide des nanosystèmes biologiques, jusqu’à la nanoseconde. Les attentes sont particulièrement importantes dans le domaine de la biologie à l’échelle nano, où l’enjeu majeur de la compréhension des relations entre les changements de conformation des molécules et leurs fonctions biologiques, constitue un défi expérimental de taille dans les environnements physiologiques natifs.

Suyambulingham Subramanian, Nicolas Mauran, Chérif Bélacel, Guillaume Jourdan, Ivan Favero, et al.. Unveiling Hidden Dynamics of Biological Process with Optomechanical AFM with sub-µs time resolution. Annual Meeting of the GDR MecaQ, Sep 2024, Grenoble, France. ?hal-04819714?

Aleksandra Markovic, Mathis Lefebvre, Laurent Mazenq, Samuel Charlot, Marc Gély, et al.. Suspended tip overhanging from chip edge for atomic force microscopy with an optomechanical resonator. Journal of Optical Microsystems, 2024, 4 (3), pp.033501. ?10.1117/1.JOM.4.3.033501?. ?hal-04689661?

Suyambulingham Subramanian, Clément Le Fur, Lucien Schwab, Ilan Shlesinger, Pierre Allain, et al.. Sondes optomécaniques : vers l'AFM aux fréquences GHz. Forum de microscopie à sondes locales, Apr 2024, Lyon, France. ?hal-04562805?

Kateryna Muzyka, Felix Rico, Guobao Xu, Ignacio Casuso. DNA at conductive interfaces: What can atomic force microscopy offer?. Journal of Electroanalytical Chemistry, 2023, 938, pp.117448. ?10.1016/j.jelechem.2023.117448?. ?hal-04476926?

Clément Le Fur, Hamidreza Neshasteh, Louis Waquier, Ilan Shlesinger, Marc Gély, Guillaume Jourdan & Ivan Favero
Techniques for actuation and control of optomechanical resonators in liquids
19th International Workshop on Nanomechanical Sensors, 24-27 June 2024

Clément Le Fur, Hamidreza Neshasteh, Louis Waquier, Ilan Shlesinger, Marc Gély, Guillaume Jourdan & Ivan Favero
Techniques for actuation and control of optomechanical resonators in liquids
GDR MecaQ, 30 September-1 October 2024

Brevet français n° priorité FR2212956 déposé le 08/12/2022
Extension internationale déposée le 29/11/2023, PCT/EP2023083447
Demandes publiées : FR3143140 (A1) 2024-06-14 et WO2024120911 (A1) 2024-06-13
Dispositif à résonateur optique, mécanique ou opto-mécanique
G. Jourdan, M. Gély, I. Favero, B. Legrand

HERMES ambitionne d’amener la spectroscopie et la microscopie à force atomique (AFM) à un nouveau niveau, ouvrant une fenêtre expérimentale inédite pour la biophysique moléculaire. Nous allons développer la mesure de force à la nanoseconde et l’imagerie ultra-rapide dans les liquides, avec une résolution spatiale à l’échelle des liens chimiques moléculaires. Ces percées sont rendues possibles grâce à un nouveau paradigme de sondes AFM optomécaniques dont le concept a été démontré récemment aux fréquences intermédiaires dans l’air et dans le vide par les partenaires, les plaçant ainsi à l’avant-garde des développements. La fréquence de résonance mécanique f de la sonde gouverne aussi bien la bande passante de mesure que la résolution en force. Cette fréquence peut être considérablement augmentée en utilisant la transduction optomécanique. Grâce à une convergence entre la photonique silicium, l'optomécanique, et les technologies MEMS/NEMS intégrées à large échelle, les sondes HERMES fonctionneront cette fois en milieu liquide, et leur fréquence montera au GHz. Par ailleurs, des développements seront menés en électronique, en positionnement de la sonde, en acquisition et traitement des données, de manière à exploiter pleinement cette très haute fréquence dans un microscope AFM. En parallèle, des expériences de biophysique seront réalisées avec ces sondes, permettant d’atteindre aux temps courts des régimes et des phénomènes jusqu’ici inexplorés dans les complexes moléculaires, tel que le repliement moléculaire. Ces expériences nourriront en retour les développements technologiques et instrumentaux, mais aideront aussi à répondre à des questions ouvertes sur la dynamique rapide des biomolécules, en élargissant les échelles de temps auxquelles les données en force peuvent être confrontées aux simulations de dynamique moléculaire (généralement réalisées entre la ps et la ms). Les 4 tâches scientifiques du projet HERMES se déclinent en : (i) Conception et fonctionnement des sondes AFM optomécaniques ultra-rapides en milieu liquide, jusqu’au GHz (ii) Fabrication des sondes optomécaniques en silicium, (iii) Instrumentation et intégration système pour la spectroscopie et imagerie de force à très haute vitesse, (iv) Expériences de spectroscopie et de microscopie AFM sur les systèmes biomoléculaires. Pour les accomplir, HERMES s’appuie sur un consortium de 4 laboratoires : le LAAS-CNRS à Toulouse, le CEA-LETI à Grenoble, MPQ-Univ. Paris-CNRS à Paris et le LAI-INSERM à Marseille. Une partie de ce consortium a déjà travaillé ensemble au cours du projet OLYMPIA. Dans le cadre d’HERMES, il intègre une équipe de biophysique pour aboutir à des réalisations d’utilité biologique. Chaque équipe est experte dans son domaine (instrumentation AFM au LAAS, technologies photoniques et MEMS silicium au CEA-LETI, optomécanique -y compris dans les liquides- à MPQ, AFM à haute vitesse pour la biologie au LAI). Grâce à sa nature interdisciplinaire, le projet bénéficiera naturellement d’une large visibilité dans les communautés de l’AFM, des systèmes optomécaniques et de la physique biomoléculaire. Au terme du projet, les sondes et instruments à très haute vitesse développés dans HERMES permettront d’accéder à la dynamique rapide des nanosystèmes biologiques, jusqu’à la nanoseconde. Les attentes sont particulièrement importantes dans le domaine de la biologie à l’échelle nano, où l’enjeu majeur de la compréhension des relations entre les changements de conformation des molécules et leurs fonctions biologiques, constitue un défi expérimental de taille dans les environnements physiologiques natifs.