Tomographie par résonance magnétique pour les protéines individuelles grâce à un capteur quantique

Publié le : 16 janvier 20239 mins de lecture

Les tomographes à résonance magnétique sont désormais extrêmement sensibles. Grâce à une meilleure résolution, un capteur quantique peut détecter des atomes individuels dans les biomolécules. À l’avenir, la méthode pourrait aider à diagnostiquer les maladies à un stade précoce en détectant les premières protéines défectueuses.

La détection des protéines qui sont visibles à un stade précoce de la maladie

Les scanners IRM deviennent maintenant extrêmement sensibles. Grâce à une meilleure résolution, un capteur quantique peut détecter des atomes individuels dans les biomolécules. À l’avenir, la méthode pourrait aider à diagnostiquer les maladies à un stade précoce en détectant les premières protéines défectueuses. De nombreuses maladies sont causées par des protéines défectueuses. Comme les protéines sont d’importants moteurs biochimiques, cela peut entraîner des troubles métaboliques. Les prions défectueux qui provoquent des lésions cérébrales dans le cas de l’ESB ou de la maladie de Creutzfeldt-Jakob en sont un exemple. Chez les prions pathologiquement altérés, la structure moléculaire complexe est défectueuse. Le problème est que les protéines défectueuses individuelles peuvent également induire des erreurs dans les protéines intactes voisines dans une sorte d’effet domino, déclenchant ainsi une maladie. Il serait donc très utile pour les médecins de pouvoir déjà détecter les premiers prions encore isolés et présentant une mauvaise structure. Toutefois, il n’a pas été possible jusqu’à présent de clarifier la structure d’une seule biomolécule.

Une miniaturisation de l’IRM

Une équipe de chercheurs dirigée par Jörg Wrachtrup, professeur à l’université de Stuttgart et chercheur à l’Institut Max Planck pour la recherche sur les états solides, basé à Stuttgart, vient de présenter dans la revue Science une méthode qui permettra à l’avenir d’examiner en toute sécurité des biomolécules individuelles. C’est important non seulement dans la lutte contre les maladies, mais aussi pour la recherche chimique et biochimique fondamentale. D’une certaine manière, la méthode est la miniaturisation de l’imagerie par résonance magnétique RMN, connue de la technologie médicale et généralement appelée IRM dans les applications cliniques. La RMN utilise une propriété particulière des atomes, le spin. En termes simples, le spin peut être compris comme le mouvement de rotation des noyaux atomiques et des électrons autour de leur propre axe, qui transforme les particules en minuscules aimants en forme de barre tournante. Le comportement de ces aimants est caractéristique de chaque type d’atome ou d’élément chimique. Par exemple, chaque particule tourne à une certaine fréquence.

En utilisant un petit capteur RMN, les molécules individuelles sont mesurées.

Dans les applications médicales, un seul type d’atome est généralement détecté dans le corps de l’hydrogène, par exemple. En fonction de la teneur en hydrogène dans les différents tissus, l’intérieur du corps peut alors être distingué au moyen de différents contrastes. En revanche, l’élucidation de la structure des biomolécules consiste à déterminer chaque atome individuel et donc à démêler la structure de la biomolécule pièce par pièce. Le facteur décisif est que les détecteurs RMN sont si petits qu’ils peuvent atteindre une résolution à l’échelle du nanomètre et sont si sensibles qu’ils peuvent mesurer précisément les molécules individuelles. Wrachtrup et son équipe ont construit un si petit capteur RMN, il y a environ quatre ans. Cependant, ils n’étaient pas encore capables de distinguer les différents atomes.

Les différents types d’atomes grâce à une résolution en fréquence plus élevée

Pour atteindre la résolution atomique, les chercheurs doivent être capables de distinguer les signaux de fréquence qu’ils reçoivent des différents atomes d’une molécule. Les signaux des atomes d’une protéine sont les fréquences auxquelles les aimants de la barre atomique dans la protéine tournent. Ces fréquences sont très proches les unes des autres, comme si les fréquences d’émission des stations de radio étaient toutes dans une gamme très étroite. Ce n’est que maintenant que les chercheurs de Stuttgart ont atteint une résolution de fréquence qui leur permet de différencier les différents types d’atomes. Cela signifie qu’une grande biomolécule peut maintenant être scannée dans une certaine mesure. Le capteur, qui sert de minuscule antenne RMN, est un diamant dont le squelette carboné intègre un atome d’azote juste sous la surface du cristal. L’endroit où se trouve l’atome d’azote est appelé centre NV par les physiciens : N pour azote, et V pour la vacance anglaise, qui indique un électron manquant dans le réseau du diamant directement à côté de l’atome d’azote. Un tel centre NV perçoit les spins nucléaires des atomes qui sont situés à proximité du centre NV. La fréquence avec laquelle le moment magnétique d’un atome qui vient d’être mesuré tourne est transférée au moment magnétique dans le centre NV, qui peut être perçu par un changement de couleur avec un microscope optique spécial.

Le capteur quantique stocke les signaux de fréquence.

Le capteur quantique atteint une haute sensibilité parce qu’il peut stocker les signaux de fréquence d’un atome. Une seule mesure de la fréquence d’un atome serait trop faible pour le capteur quantique et peut-être trop bruyante. Grâce à la mémoire, le capteur peut toutefois enregistrer de nombreux signaux de fréquence sur une longue période et se concentrer ainsi très précisément sur la fréquence d’oscillation d’un atome tout comme un récepteur mondial de haute qualité peut séparer proprement des canaux radio très rapprochés. Outre la haute résolution, cette technologie présente d’autres avantages : elle fonctionne à température ambiante et ne nécessite pas de vide comme d’autres méthodes RMN très sensibles utilisées dans la recherche biochimique. En outre, ces derniers sont généralement exploités à une température proche du zéro absolu de moins 273,16 degrés Celsius, ce qui nécessite un refroidissement complexe à l’hélium.

La recherche sur le cerveau comme futur domaine d’application

Jörg Wrachtrup envisage plusieurs applications futures possibles pour son capteur quantique à fine résolution. Il est concevable qu’à l’avenir, il soit possible de détecter des protéines individuelles manifestement altérées dans les premiers stades de maladies qui ont été négligées jusqu’à présent. En outre, Wrachtrup travaille avec une entreprise industrielle sur un capteur quantique un peu plus grand qui pourrait à l’avenir être utilisé pour détecter les faibles champs magnétiques du cerveau. On appele ce capteur lecteur de cerveau. Il devrait aider à déchiffrer le fonctionnement du cerveau et serait un très bon complément aux dérivations électriques classiques des EEG. Wrachtrup travaille déjà sur un support et un boîtier pour le Brain-Reader avec le partenaire industriel afin que l’appareil puisse être facilement porté et utilisé dans la vie quotidienne.