Nanobiologies: le laboratoire en miniature

1. Nanobiologies:le laboratoire en miniature Les pinces optiques L’outil de manipulation des molécules biologiques Alexandre Lewalle London Centre for Nanotechnology

2. Les nanosciences appliquées à la biologie, ça peut être: • Le fait de mesurer, de manipuler et de controler des phénomènes biologiques au niveau atomique et moléculaire; • Simuler de manière artificielle des phénomènes biologiques complexes. Epurer et simplifier ces systèmes pour n’en garder que les composantes essentielles; • Mettre en évidence sous le microscope les aspects mécaniques des phénomènes moléculaires et cellulaires. Considérer les molécules comme des entités mécaniques, et pas seulement chimiques.

3. Pourquoi les physiciens s’intéressent à la bio : La mécanique à toutes les échelles • La nature nous fournit des exemples de « nanomachines »: • de grande précision • de haute efficacité • reproductibles • multifonctionnelles 10 nm 1 m

4. La myosine : le moteur moléculaire 2 espèces de protéines: actine myosine

5. De plus près... ACTINE MYOSINE Le changement de conformation génère la force. L’ATP sert de carburant.

6. Nano = “petit”mais petit comment ?... • Longueurs: 10-9 m ~ 10-8 m (échelle nm) • Energies: 10-21 J ~ 10-19 J • Forces: 10-12 N ~ 10-11 N (échelle pN) LE DEFI : trouver des outils adaptés à ces échelles (Hydrolyse de l’ATP ~ 80 x 10-21 J)

7. Principe des pinces optiques:exploitation de la force photonique Ordre de grandeur: Puissance laser 0.1W Longueur d’onde 1000 nm c. à d. ~ 5x1017 photons/seconde F ~ 3 pN Quantité de mouvement par photon: p = h / l

8. Une micro-bille comme support

9. Le point focal de l’objectifest lepoint d’attraction de la pince 1 mm Objectif à grande ouverture numérique

10. La pince optique: un système élastique quasi-linéaire ressort axial FORCE kz ressort radial kx CENTRE FOCAL Force = kx x kx <x2> = kBT

12. La peche aux billes La peche à l’actine

13. oscilloscope Detecteurs photodiodes de position Image video Moyenne des positions: Décallage = 10 nm = déplacement du levier 10 nm état attaché état détaché

15. 15 10 (pN) M dF 5 0 0 2 4 6 8 dx (nm) M Etirer la molécule pour mesurersa constante de raideur 2.2 pN/nm

16. Détricoter une molécule d’ADN

18. La pince optique pour mesurer la raideur d’une membrane

20. Les défis d’une expérience « nano » • Mesurer sans (trop) perturber • Le bruit • Isolation sonore • Isolation thermale • Mouvement brownien Problèmes à éviter ou à en tirer parti?....

21. platine piezoélectrique Laser infrarouge Le système de pince optique