Un dessin conceptuel du nouveau dispositif moléculaire. Pour les expériences hors du corps humain (in vitro), le dispositif se nicherait sur la membrane de la cellule : une molécule “rapporteur” détecterait le champ électrique local lorsqu’elle est activée par une lumière rouge ; une molécule “modificatrice” attachée modifierait ce champ électrique lorsqu’elle est activée par une 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 créent le premier dispositif moléculaire de taille nanométrique potentiellement capable de détecter et de modifier le champ électrique de la cellule, ouvrant la voie à 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, de plus en plus de preuves montrent que l’enregistrement et la modification des champs bioélectriques des cellules et des tissus jouent un rôle essentiel dans la cicatrisation des plaies et même dans la lutte potentielle contre des maladies comme le cancer et le cancer du poumon. les maladies cardiaques.
Pour la première fois, des chercheurs de la Viterbi School of Engineering de l’USC ont créé un dispositif moléculaire capable de faire les deux : enregistrer et manipuler le champ bioélectrique qui l’entoure.
Le dispositif en forme de triangle est constitué de deux petites molécules reliées entre elles – beaucoup plus petites qu’un virus et d’un diamètre similaire à celui d’un verre. ADN brin.
Il s’agit d’un matériau entièrement nouveau permettant de “lire et d’écrire” le champ électrique sans endommager les cellules et les tissus voisins. Chacune des deux molécules, reliées par une courte chaîne d’atomes de carbone, a sa propre fonction distincte : une molécule agit comme un “capteur” ou un détecteur qui mesure le champ électrique local lorsqu’il est déclenché par une lumière rouge ; une deuxième molécule, “le modificateur”, génère des électrons supplémentaires lorsqu’il est exposé à une lumière bleue. Notamment, chaque fonction est contrôlée indépendamment par différentes longueurs d’onde de lumière.
Bien qu’il ne soit pas destiné à être utilisé chez l’homme, le dispositif organique se situerait partiellement à l’intérieur et à l’extérieur de la membrane de la cellule pour des expériences in vitro.
Les travaux, publiés dans le Journal of Materials Chemistry C, ont été menés par les professeurs Andrea Armani et Rehan Kapadia de l’USC Viterbi. Les principaux auteurs sont Yingmu Zhang, chercheur postdoctoral au département Mork de génie chimique et de science des matériaux, et Jinghan He, candidat au doctorat au département de chimie de l’USC. Parmi les coauteurs figurent Patrick Saris, chercheur postdoctoral à l’USC Viterbi, ainsi que Hyun Uk Chae et Subrata Das, candidats au doctorat au département d’ingénierie électrique et informatique de Ming Hsieh. Le laboratoire Armani a été chargé de créer la nouvelle molécule organique, tandis que le laboratoire Kapadia a joué un rôle clé en testant l’efficacité avec laquelle le “modificateur” génère de l’électricité lorsqu’il est activé par la lumière.
Comme la molécule rapporteur peut s’insérer dans les tissus, elle a la possibilité de mesurer les champs électriques de manière non invasive, ce qui permet d’obtenir une imagerie ultrarapide, en trois dimensions et à haute résolution des réseaux neuronaux. Cela peut jouer un rôle crucial pour d’autres chercheurs qui testent les effets de nouveaux médicaments ou de changements dans des conditions telles que la pression et l’oxygène. Contrairement à de nombreux autres outils antérieurs, elle 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 existants”, a déclaré M. Armani, titulaire de la chaire Ray Irani en génie chimique et en science des matériaux. “Il permettra donc à un large éventail de chercheurs – de la biologie aux neurosciences en passant par la physiologie – de poser de nouveaux types de questions sur les systèmes biologiques et leur réponse à différents stimuli : médicaments et facteurs environnementaux. Les nouvelles frontières sont infinies”.
En outre, la molécule modificatrice, en altérant le champ électrique proche des cellules, peut endommager avec précision un point unique, ce qui permettra aux futurs chercheurs de déterminer les effets en cascade à travers, par exemple, un réseau entier de cellules cérébrales ou cardiaques.
“Si vous avez un réseau sans fil dans votre maison, que se passe-t-il si l’un de ces nœuds devient instable ?” a déclaré 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 prédire sa réponse – ou la modifier, par exemple en fabriquant de meilleurs médicaments pour prévenir les comportements indésirables.”
“L’élément clé”, a déclaré M. Kapadia, titulaire de la chaire de début de carrière Colleen et Roberto Padovani en génie électrique et informatique, “c’est que nous pouvons l’utiliser à la fois pour interroger et pour manipuler. Et nous pouvons faire les deux chosesà très haute résolution – à la fois dans l’espace et dans le temps.”
La clé du nouveau dispositif organique était la capacité d’éliminer la “diaphonie”. Comment faire en sorte que ces deux molécules très différentes se rejoignent et n’interfèrent pas l’une avec l’autre à la manière de deux signaux radio brouillés ? Au début, note M. Armani, “il n’était même pas évident que cela soit possible.” La solution ? Séparer les deux par une longue chaîne alkyle, ce qui n’affecte pas les capacités photophysiques de chacun.
Les prochaines étapes pour cette nouvelle molécule multifonctionnelle comprennent des tests sur des neurones et même des bactéries. Moh El-Naggar, un collaborateur de l’USC, 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 : “Multifunctional photoresponsive organic molecule for electric field sensing and modulation” par Yingmu Zhang, Jinghan He, Patrick J. G. Saris, Hyun Uk Chae, Subrata Das, Rehan Kapadia et Andrea M. Armani, 8 décembre 2021, Journal of Materials Chemistry C.
DOI : 10.1039/D1TC05065F
Ce travail a été soutenu par l’Office of Naval Research et l’Army Research Office.
