Des " tambours " électroniques au séquençage de l’ADN
" Bienvenue en nanomonde "

Paris, le 9 mars 1999

Amplificateurs moléculaires, molécules en rotation, exploration et manipulation des microenvironnements, séquençages de l’ADN, tests immunologiques : quel physicien n’a pas rêvé un jour d’observer et de manipuler la matière atome par atome ou molécule par molécule, quand les méthodes conventionnelles analysent des milliards de milliards de molécules simultanément? Dans un dossier publié cette semaine dans l’hebdomadaire spécialisé Science, deux chercheurs du CNRS font le point, en collaboration avec des experts étrangers, sur 10 ans de recherches en nanosciences (12 mars 1999). A travers la microscopie à effet tunnel, pour Christian Joachim, chercheur au Centre d’élaboration des matériaux et d’études structurales de Toulouse. Et sous le regard de la microscopie optique pour Michel Orrit, chercheur au Centre de physique moléculaire et hertzienne de Talence (1).

En 1952, Erwin Schrödinger, prix Nobel de physique, pensait qu’aucune expérience ne pouvait être tentée sur un électron unique, un atome ou même une seule molécule. Huit ans plus tard, Richard Feynman, également prix Nobel de physique, est déjà persuadé du contraire. Dans la revue Engineering and Science (Caltech, 1960), le physicien explique alors qu’il n’existe pour lui aucune limite physique dans la nature à la manipulation d’atomes un par un. Dès 1974, les Américains Arieh Aviram des laboratoires d’IBM et Mark Ratner de l’Université de Northwestern, proposent alors d’utiliser une seule molécule avec le moins d’atomes possible pour réaliser des dispositifs électroniques. Ils exposent le principe d’un redresseur de courant électrique n’utilisant qu’une seule molécule.
Au début des années 80, la microscopie à effet tunnel (STM) et, un peu plus tard, la microscopie à force atomique (AFM), inventées par les laboratoires d’IBM, ouvrent l’accès des mesures sur un atome ou une molécule. Une sonde, la pointe ultrafine des instruments, est utilisée pour explorer la surface de l’objet par des interactions de très courtes portées et imager avec une résolution atomique et un positionnement à la surface de l’ordre de 0,1 nm. Elle caresse, balaie la structure de l’invisible matière et plonge ainsi les chercheurs dans l’intimité des molécules uniques, des atomes et des liaisons.

Dès lors, les découvertes se succèdent. Dès 1989, ces nouvelles microscopies de contact permettent de manipuler des atomes à l’unité et trois ans plus tard, des petites molécules diatomiques à très basses températures. Les mécanismes de transfert et de transport des électrons à travers une seule molécule sont de mieux en mieux compris. En 1993, Donald Eigler réalise la première nanoexpérience en assemblant en un " tambour électronique " 48 atomes de fer disposés un à un sur une surface de cuivre de 14 nm de diamètre. En 1995, Christian Joachim réalise avec Jim Gimzewski des laboratoires de recherche de la société IBM à Zürich, en Suisse, la première connection électrique sur une seule molécule, puis en 1996, la première manipulation à température ambiante de molécules polyatomiques à l’unité. La même année, Jim Gimzewski met au point le premier boulier moléculaire et Donald Eigler, le premier contact électrique sur un seul atome.En 1997, la même équipe franco-suisse observe le premier amplificateur électromécanique à une seule molécule. Il s’agit du plus petit amplificateur connu à ce jour. La partie active, la molécule de carbone 60, ne mesure que 0,7 nm de diamètre. Il fonctionne à température ambiante et présente un gain en tension de l’ordre de 5. Deux chercheurs hollandais et américains, dont le prix Nobel de chimie 1996, poursuivent le travail et réalisent le premier transistor électronique unimoléculaire avec un nanotube de carbone.
Au printemps 1998 encore, les mêmes chercheurs français et suisses libèrent la rotation d’une seule et même molécule. Ils ouvrent ainsi la voie à la conception de roues moléculaires qui entreraient à terme dans la conception de moteurs moléculaires artificiels dont les dimensions seraient de l’ordre du nanomètre. De telles machines pourraient permettre d’explorer les frontières de la thermodynamique et augmenter le rendement des machines à notre échelle.
Parallèlement, la microscopie optique à sonde locale emboîte le pas des nanosciences et permet d’isoler des molécules uniques. Dès 1990, une équipe de Los Alamos détecte, via la fluorescence, des molécules uniques en solution liquide. La même année, Michel Orrit et Jacky Bernard du Centre de physique moléculaire optique et hertzienne de Talence détectent ces mêmes molécules dans des solides à très basses températures. Trois ans plus tard, c’est au tour de l’équipe américaine de Bell Labs de détecter ces molécules uniques dans un polymère à température ambiante, par microscopie optique en champ proche. Dès 1994, l’utilisation de la microscopie optique confocale ouvre la voie à de nouvelles applications biologiques. Par exemple, le séquençage d’une seule molécule d’ADN ou des tests immunologiques. Elle recueille la lumière en provenance d’un point unique de l'échantillon, pour une meilleure résolution spatiale des images. Enfin, très récemment, en novembre 1998, Michel Orrit et trois chercheurs créaient une source déclenchée de photons uniques, en commandant l’excitation d’une seule molécule et donc l’émission spontanée d’un photon (2).
A l’inverse des autres techniques d’analyse, la microscopie optique sonde la matière à " distance " et invite le chercheur à pénétrer de façon très sensible, tout en douceur, à l’intérieur d’un matériau donné, mais au prix d’une perte de résolution spatiale. Ici, on ne visualise pas la matière. On détecte et on analyse la lumière émise par les molécules après irradiation par un faisceau laser et élimination des photons d’excitation. Reste au spécialiste à comparer les signaux de fluorescence émis à différents instants, pour détecter les déformations des molécules non isolées, leur structure, leur comportement, les interactions avec l’environnement. Mais plus encore, la structure des groupes fonctionnels, des atomes, des ions ou des charges électrostatiques en place dans des structures cristallines, des polymères, certains liquides ou encore des protéines. Les experts observent ainsi " de près " le repliement d’une protéine, les interactions entre différents enzymes, entre enzymes de familles différentes, ou la dynamique des membranes. " On peut aussi espérer isoler une sonde moléculaire dans une protéine unique. Par exemple, un canal membranaire, pour étudier son fonctionnement en temps réel, identifier le photorécepteur ou suivre le repliement de la protéine pendant sa synthèse, explique Michel Orrit. Mais on peut aussi envisager d’accélérer de la journée à la minute la détection d’espèces rares requises pour le séquençage de l’ADN ou les tests immunologiques ". L’isolation optique permet de supprimer l’étape lente et fastidieuse de la multiplication des molécules avant détection.
" La molécule devient un véritable appareil de mesure capable de sonder un environnement, de réaliser une mesure physique, une réaction chimique et d'en communiquer le résultat, se réjouit Christian Joachim. On devrait bientôt voir ces molécules réaliser des nanocomposants mécanique, optique ou électronique et pourquoi pas magnétique pour de futurs nanomachines. L'aventure technologique de ces nanomachines, passionnante mais difficile, ne fait que commencer ".
(1) Articles de Science et photos disponibles au bureau de presse
(2) Comptes-rendus de l’Académie des Sciences, 2 novembre 1998

Contacts chercheurs :
CNRS - Département des sciences chimiques CNRS - Département des sciences physiques et mathématiques
Christian Joachim
Cemes, Toulouse
Tél : 05 62 25 78 35

Mél : joachim@cemes.fr

Michel Orrit
CPMOH, Bordeaux
Tel : 05 56 84 62 09
Mél : orrit@yak.cpmoh.u-bordeaux.fr

Contact presse :
Séverine Duparcq
Tél : 01 44 96 46 06
Mél : severine.duparcq@cnrs-dir.fr

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