Des physiciens découvrent un nouvel effet photonique qui pourrait accélérer la découverte de médicaments vitaux.

Lorsque l’on illumine des nanoparticules semi-conductrices chirales avec une lumière polarisée circulairement, une lumière de diffusion de Mie de troisième harmonique s’échappe. Crédit : Ventsislav Valev, Kylian Valev et Lukas Ohnoutek.

Une équipe internationale de scientifiques dirigée par des chercheurs de l’Université de Bath a découvert un nouvel effet photonique dans des particules hélicoïdales semi-conductrices de dimensions nanométriques. Dans sa série “Robot”, l’auteur de science-fiction Isaac Asimov a imaginé un avenir où les robots deviennent des compagnons fiables pour les humains. Ces robots étaient guidés par les lois de la robotique, dont la première stipule qu'”un robot ne peut blesser un être humain ou, par son inaction, permettre qu’un être humain soit blessé”. Grâce à la nouvelle découverte photonique, les robots pourraient avoir la possibilité d’empêcher les humains de nuire d’une manière très significative, en accélérant considérablement le développement de médicaments importants, tels que de nouveaux antibiotiques. Actuellement, l’Organisation mondiale de la santé considère la résistance aux antibiotiques (l’inefficacité croissante des médicaments actuellement sur le marché) comme l’une des dix principales menaces pour l’humanité. En outre, la mondialisation et l’empiètement de l’homme sur les habitats de la faune sauvage augmentent le risque d’apparition de nouvelles maladies infectieuses. Il est largement reconnu que le coût de la découverte et du développement de nouveaux médicaments pour ces maladies et d’autres, en utilisant la technologie actuelle, est insoutenable. La nécessité d’accélérer la recherche pharmaceutique n’a jamais été aussi pressante et elle bénéficierait grandement de l’aide de l’intelligence artificielle (IA).

Le professeur de physique de Bath Ventsislav Valev, qui a dirigé les recherches, a déclaré : “Bien que nous soyons encore loin des cerveaux robotiques positroniques d’Asimov, notre dernière découverte a le potentiel de relier les algorithmes d’IA qui analysent les réactions chimiques et les bras robotiques qui préparent les mélanges chimiques – un processus connu sous le nom de criblage à haut débit.”

Répondre aux besoins de la chimie robotisée

Le criblage à haut débit (HTS) est une méthode expérimentale qui utilise des robots pour découvrir de nouveaux médicaments. Certains laboratoires l’ont déjà adopté, pour les aider à analyser de vastes bibliothèques de molécules. À l’avenir, cependant, la découverte de nouveaux médicaments pourrait se faire entièrement par le biais du criblage à haut débit. Avec cette méthode, des robots actionnent simultanément un grand nombre de seringues, préparant des milliers de mélanges chimiques qui sont ensuite analysés par des robots. Les résultats sont transmis à des algorithmes d’IA, qui déterminent ensuite les mélanges à préparer ensuite, et ainsi de suite jusqu’à ce qu’un médicament utile soit découvert.

L’étape d’analyse est essentielle, car sans elle, les robots ne peuvent pas savoir ce qu’ils ont préparé.

Le HTS se déroule sur des microplaques (ou tablettes) de la taille d’une barre de chocolat. Chaque tablette contient des puits dans lesquels sont versés les mélanges chimiques. Plus il y a de puits sur une tablette, plus il est possible d’analyser de produits chimiques en une seule fois. Mais bien qu’une tablette moderne puisse accueillir des milliers de puits, la taille de la table ne change pas.

“Pour répondre aux exigences de la chimie robotisée émergente, les puits deviennent vraiment minuscules – trop petits pour les méthodes d’analyse actuelles”, a déclaré le professeur Valev. “Des méthodes fondamentalement nouvelles sont donc nécessaires pour analyser les futurs médicaments.

“Actuellement, la plupart des nouveaux médicaments qui arrivent sur le marché et la majorité des anciens médicaments sont chiraux (leur formule chimique ne présente pas de symétrie miroir). Il est donc particulièrement important de pouvoir mesurer la chiralité dans des volumes minuscules, inférieurs à 1 mm”.³ , ce qui correspond à la taille d’un cube dont les côtés ont l’épaisseur d’une carte de crédit. “

L’effet découvert par les chercheurs permet de mesurer la chiralité dans des volumes 10 000 fois plus petits qu’1 mm.^3.

“Nous avons utilisé un nouveau matériau très intéressant développé par nos collègues de l’Université du Michigan aux États-Unis, sous la direction du professeur Nicholas Kotov”, explique le professeur Valev. “Il s’agit d’une structure biomimétique (c’est-à-dire qui simule les phénomènes biologiques) qui s’assemble chimiquement en hélices semi-conductrices, à l’échelle nanométrique, de manière similaire à la façon dont les protéines s’assemblent.”

Le professeur Kotov a déclaré : “En étant éclairées par de la lumière rouge, les petites hélices semi-conductrices génèrent une nouvelle lumière qui est bleue et torsadée. La lumière bleue est également émise dans undirection spécifique, ce qui en facilite la collecte et l’analyse. Le tiercé d’effets optiques inhabituels réduit drastiquement le bruit que peuvent causer d’autres molécules et particules nanométriques dans les fluides biologiques.”

Le professeur Valev ajoute : “Cela signifie qu’en mesurant soigneusement la lumière bleue, nous pouvons déterminer la direction de la torsion (ou chiralité) des structures que nous étudions.”

La torsion des nanohélices peut changer radicalement en fonction du type de biomolécules qui étaient présentes lorsque ces hélices se sont formées, fournissant ainsi une multitude d’informations sur les échantillons biologiques.

“Nos résultats ouvrent la voie à la mesure de la chiralité dans des volumes potentiellement 10 millions de fois plus petits qu’un millimètre.^3. Bien que les structures que nous avons mesurées jusqu’à présent soient beaucoup plus grandes que les produits pharmaceutiques typiques, nous avons prouvé que l’effet physique est réel, donc en principe, les applications aux molécules et surtout aux médicaments ne sont plus qu’une question de développement technologique. Notre prochaine étape consiste à rechercher des financements pour ce développement”, a déclaré le professeur Valev.

Le doctorant Lukas Ohnoutek, également impliqué dans la recherche, a déclaré : “Dans le domaine des nanotechnologies, l’un des grands défis est de pouvoir observer les propriétés des objets minuscules. Aujourd’hui, c’est facile pour les objets stationnaires, mais c’est encore difficile pour un objet qui flotte librement dans un liquide.

“Il a été extrêmement gratifiant de réduire notre volume d’étude avec autant de succès – nous concentrons maintenant la lumière en un point qui serait invisible pour la plupart des gens. Et à l’intérieur de ce volume, nous pouvons déterminer le sens de torsion d’hélices qui sont encore beaucoup plus petites.”

Référence : ” Third-harmonic Mie scattering from semiconductor nanohelices ” par Lukas Ohnoutek, Ji-Young Kim, Jun Lu, Ben J. Olohan, Dora M. Răsădean, G. Dan Pantoș, Nicholas A. Kotov et Ventsislav K. Valev, 13 janvier 2022, Nature Photonics.
DOI: 10.1038/s41566-021-00916-6

La recherche est publiée dans le journal Nature Photonics. Elle a été financée par la Royal Society, le Science and Technology Facilities Council (STFC) et le Engineering and Physical Science Research Council (EPSRC).