Le premier dispositif moléculaire à l’échelle nanométrique capable de détecter et de moduler les champs bioélectriques des cellules

Dessin conceptuel du nouvel appareil moléculaire. Pour les expériences hors du corps humain (in vitro), l’appareil se nichera sur la membrane cellulaire : la molécule « reporter » peut détecter le champ électrique local lorsqu’elle est activée par la lumière rouge ; Une molécule « modificateur » connectée peut modifier ce champ électrique lorsqu’elle est activée par la lumière bleue. Crédit : Katya Kadyshevskaya à l’USC

Avec seulement 100 atomes, les champs électriques peuvent être détectés et modifiés

USC Les chercheurs de Viterbi ont créé le premier dispositif moléculaire nanométrique capable de détecter et de modifier le champ électrique d’une cellule, ce qui ouvre de nouvelles possibilités pour la recherche fondamentale.

La bioélectricité, le courant qui circule entre nos cellules, est fondamentale pour notre capacité à penser, parler et marcher.

En outre, il existe de plus en plus de preuves que l’enregistrement et la modification des champs bioélectriques des cellules et des tissus jouent un rôle vital dans la cicatrisation des plaies et même dans la lutte contre des maladies telles que le cancer et les tissus. cardiopathie.

Aujourd’hui, pour la première fois, des chercheurs de l’USC Viterbi School of Engineering ont créé un dispositif moléculaire qui peut faire les deux : enregistrer et manipuler le champ bioélectrique qui l’entoure.

L’appareil de forme triangulaire est composé de deux petites particules connectées – beaucoup plus petites qu’un virus et de diamètre similaire ADN côte.

C’est un matériau entièrement nouveau pour « lire et écrire » dans le champ électrique sans endommager les cellules et les tissus voisins. Chacune des deux molécules, attachée à une courte chaîne d’atomes de carbone, a sa propre fonction distincte : une seule molécule agit comme un « capteur » ou un détecteur qui mesure le champ électrique local lorsqu’il est déclenché par la lumière rouge ; La deuxième molécule, le « modificateur », génère des électrons supplémentaires lorsqu’elle est exposée à la lumière bleue. Notamment, chaque fonction est contrôlée indépendamment par différentes longueurs d’onde de lumière.

Bien que l’organoïde ne soit pas destiné à être utilisé chez l’homme, il restera partiellement à l’intérieur et à l’extérieur de la membrane cellulaire pour les expériences in vitro.

Les travaux, publiés dans le Journal of Materials Chemistry C, ont été dirigés par les professeurs Andrea Armani et Rehan Kapadia de l’Université de Californie du Sud à Viterbi. Les auteurs principaux sont Yingmu Zhang, chercheur postdoctoral au Département de génie chimique et de science des matériaux de Mork. et Jinghan He, Ph.D. Candidat au département de chimie de l’Université de Californie du Sud. Les co-auteurs sont Patrick Sarris, chercheur postdoctoral à l’Université de Californie du Sud Viterbi ; Hyun Ok Chae et Subrata Das, Ph.D. Candidats au Département de génie électrique et informatique de Ming Hsieh. Le laboratoire d’Armani était responsable de la création de la nouvelle molécule organique, tandis que le laboratoire de Kapadia a joué un rôle clé en testant l’efficacité avec laquelle le « modificateur » pouvait générer de l’électricité lorsqu’il était activé par la lumière.

Étant donné que la molécule rapporteur peut pénétrer dans les tissus, elle a le potentiel de mesurer des champs électriques non invasifs, fournissant une imagerie ultrarapide, tridimensionnelle et haute résolution des réseaux neuronaux. Cela pourrait jouer un rôle important pour d’autres chercheurs testant les effets de nouveaux médicaments ou des changements dans des conditions telles que la pression et l’oxygène. Contrairement à de nombreux autres outils précédents, il le fera sans endommager les cellules ou les tissus sains ni nécessiter de manipulation génétique du système.

« Cet agent d’imagerie multifonctionnel est déjà compatible avec les microscopes actuels, il permettra donc à un large éventail de chercheurs, de la biologie aux neurosciences en passant par la physiologie, de poser de nouvelles questions et types de questions », a déclaré Armani, titulaire de la chaire Ray Irani en génie chimique et matériaux. La science. Sur les systèmes biologiques et leur réponse à différents stimuli : médicaments et facteurs environnementaux. Les nouvelles frontières sont infinies. »

De plus, la molécule modifiée, en modifiant le champ électrique proche des cellules, peut endommager avec une précision d’un seul point, permettant aux futurs chercheurs de déterminer les effets en cascade sur tout un réseau de cellules cérébrales ou cardiaques, par exemple.

« Si vous avez un réseau sans fil chez vous, que se passe-t-il si l’un de ces nœuds devient instable ? » dit Armani. « Comment cela affecte-t-il tous les autres nœuds de votre maison ? Fonctionnent-ils toujours ? Une fois que nous comprenons un système biologique comme le corps humain, nous pouvons mieux anticiper sa réponse – ou modifier sa réponse, par exemple en fabriquant de meilleurs médicaments pour prévenir les comportements indésirables . « 

« L’essentiel est que nous puissions l’utiliser pour des interrogations et des manipulations. Et nous pouvons faire les deux avec une très grande précision – en termes d’espace et de temps », ont déclaré Kapadia, le directeur du génie électrique et informatique de Colin et Roberto Padovani.

La clé du nouveau système d’organes était la capacité d’éliminer la « diaphonie ». Comment faire en sorte que ces deux molécules très différentes se collent et n’interfèrent pas l’une avec l’autre à la manière de deux signaux radio brouillés ? Au début, note Armani, « il n’était pas tout à fait clair que ce serait possible ». la solution? Séparez-les par une longue chaîne alkyle, qui n’affecte pas les capacités photophysiques de chacun.

Les prochaines étapes pour cette nouvelle molécule multifonctionnelle consistent à la tester sur des neurones et même des bactéries. Le scientifique de l’Université de Californie du Sud, Moh El-Naggar, un collaborateur, a déjà démontré la capacité des communautés microbiennes à transférer des électrons entre les cellules et sur des distances relativement longues – avec d’énormes implications pour la récolte de biocarburants.

Référence : « Molécule organique multifonctionnel pour la détection et la modulation du champ électrique » Par Yingmo Zhang, Jingan Hee, Patrick JJ Sarris, Hyun Ok Chae, Subrata Das, Rehan Kapadia et Andrea M Armani, 8 décembre 2021, Journal de la chimie des matériaux C.
DOI : 10.1039 / D1TC05065F

Ce travail a été soutenu par l’Office of Naval Research et l’Army Research Office.