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Les propriétés du graphène appliquées à l'imagerie cellulaire
Nouvelles technologiesL'arrivée du graphène dans la microscopie électronique pourrait changer la façon dont les bactéries et autres cellules sont représentées dans les systèmes d'imagerie. Vikas Berry, professeur de génie chimique à l'université d'état du Kansas [1,2] à Manhattan, et son équipe, ont enveloppé des bactéries de graphène afin d'améliorer l'image obtenue par la microscopie électronique à transmission (MET). Cette couche de carbone a pour but de protéger les bactéries et de permettre leur visualisation dans leur état et taille réels et avec une meilleure résolution. L'utilisation du graphène, pour l'observation de cellules biologiques par MET, a pour but de pallier les inconvénients suivants : la MET contracte et dégrade structurellement les cellules observées à cause du vide nécessaire et du faisceau d'électrons appliqué à l'échantillon. Grâce à l'application préalable du graphène, les caractéristiques dimensionnelles et topologiques des bactéries sont préservées lorsqu'elles sont observées en MET.


Aucune recherche de ce type n'a jamais été effectuée. En 2009, V. Berry et son équipe ont publié un article [3] à la suite de travaux qui consistaient en la fabrication de flocons d'oxyde de graphène entourés d'or appelés "nano étoiles d'or" (SFGNs). Les chercheurs essaient désormais de greffer de l'ADN sur ces flocons afin de constituer des puces à ADN, utiles pour la détection d'ADN dont la séquence est connue.



Les propriétés du graphène

Le graphène se présente sous forme de feuilles de carbone ayant pour épaisseur un seul atome de carbone. Il a, de ce fait, plusieurs propriétés intéressantes: il est imperméable, il est le plus résistant des nanomatériaux, il est optiquement transparent et a une forte conductivité thermique et électrique. Selon V. Berry, "le graphène est le matériau de nouvelle génération. Bien qu'il soit seulement constitué d'un atome d'épaisseur, le graphène ne permet pas le passage de la plus petite des molécules. En outre, il peut s'accorder à toutes formes de cellules observées car il est très flexible" [2].


L'observation par MET nécessite un vide important. De ce fait, les cellules observées s'assèchent et puisque les cellules biologiques contiennent 70 à 80% d'eau, leur taille se voit fortement diminuée. En conséquence, il est difficile d'obtenir une image précise des cellules et de leurs composants dans leur état naturel. L'usage du graphène est une alternative pour protéger les échantillons observés. Le graphène étant imperméable, il a été utilisé afin de conserver la taille des cellules bactériennes lorsqu'elles sont observées pat MET. Une fois appliqué, le graphène agit comme un manteau imperméable sur la bactérie. Le vide ainsi créé par la MET n'a plus d'effet sur l'échantillon observé. Dans le cadre des études menées, la taille des bactéries (Bacillus cereus et Bacillus subtilis [4]) est restée stable pendant 30 minutes grâce aux propriétés du graphène.


Le graphène a d'autres propriétés intéressantes pour l'imagerie cellulaire. En plus d'améliorer la résolution d'imagerie en microscopie, sa transparence permet une visualisation plus nette des cellules observées. Les bactéries n'ayant pas subi le traitement au graphène apparaissent de couleur foncée avec une paroi cellulaire indiscernable, contrairement à celles ayant subi le traitement qui apparaissent de façon nette et sur lesquelles les parois cellulaires sont facilement identifiables.


Le graphène peut être appliqué en utilisant deux méthodes. Dans la première, une feuille de graphène est déposée sur la bactérie. L'autre méthode consiste à envelopper les bactéries avec une solution de graphène, où les feuilles de graphène enveloppent les bactéries. Dans les deux cas, une lectine (glycoprotéine se liant spécifiquement et réversiblement à certains carbohydrates) [4] a été au préalable greffée sur les feuillets de graphène pour améliorer la liaison à la paroi cellulaire bactérienne.



Perspectives

Les scientifiques ont toujours eu du mal à observer des échantillons liquides en microscopie électronique. Mais, en utilisant cette méthode, ceci semble désormais possible : grâce au graphène, les cellules peuvent en effet être facilement enveloppées et rendues visibles sans être dégradées. V. Berry envisage d'utiliser sa méthode d'observation au microscope électronique pour des bactéries encore vivantes.


La recherche ouvre également une perspective intéressante concernant l'imagerie des protéines. Les protéines ont une conformation différente lorsqu'elles sont dans un milieu liquide ou sec. Jusqu'à présent, la plupart des imageries des protéines ont été menées dans des phases sèches, mais les résultats sur le graphène pourraient permettre l'étude des protéines dans des milieux aqueux.


Pour une durée de cinq ans, Berry a récemment reçu un financement "CARRER" d'un montant de 400.000 dollars [5] provenant de la Fondation nationale de la recherche (National Science Foundation, NSF). Le but est de mener des recherches sur les points quantiques du graphène qui sont des feuilles d'atomes de carbone ultra-petites.



Source :

- [1] N. Mohanty, M.Fahrenholtz, A.Nagaraja, D.Boyle, and V.Berry "Impermeable Graphenic Encasement of Bacteria" Nano Letters, 2011, 11 [3], 1270-1275
http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl104292k
- [2] Article publié sur le site de l'université (image comparative avec et sans traitement graphène disponible) : http://www.k-state.edu/media/newsreleases/mar11/nanoletters31511.html
- [3] K. Jasuja and V. Berry, "Implantation and Growth of Dendritic Gold Nanostructures on Graphene Derivatives: Electrical-Property-Tailoring and Raman-Enhancement", ACS-Nano, 2009, 3 [8], 2358-2366 : http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nn900504v
- [4] http://www.nature.com/news/2010/100318/full/news.2010.134.html
- [5] Article publié annonçant le financement de LaVan et son équipe : http://www.eurekalert.org/pub_releases/2011-02/ksu-cee021411.php

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