Un effort de recherche de l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign dirigé par Pinshane Huang accélère les techniques d’imagerie pour visualiser clairement les structures de petites molécules, un processus autrefois considéré comme impossible. Leur découverte libère un potentiel infini dans l’amélioration des applications de la vie quotidienne, des plastiques aux produits pharmaceutiques.
Le professeur agrégé du Département de science et génie des matériaux s’est associé aux co-auteurs principaux Blanka Janicek, ancienne élève de 21 ans et post-doctorante au Lawrence Berkeley National Laboratory à Berkeley, en Californie, et Priti Kharel, étudiante diplômée du Département de chimie, prouver la méthodologie qui permet aux chercheurs de visualiser de petites structures moléculaires et d’accélérer les techniques d’imagerie actuelles.
Les co-auteurs supplémentaires incluent l’étudiant diplômé Sang hyun Bae et les étudiants de premier cycle Patrick Carmichael et Amanda Loutris. Leur recherche évaluée par des pairs a récemment été publiée dans Nano-lettres.
Les efforts de l’équipe exposent la structure atomique de la molécule, permettant aux chercheurs de comprendre comment elle réagit, d’apprendre ses processus chimiques et de voir comment synthétiser ses composés chimiques.
« La structure d’une molécule est tellement fondamentale pour sa fonction », a déclaré Huang. « Ce que nous avons fait dans notre travail, c’est de permettre de voir directement cette structure. »
La capacité de voir la structure d’une petite molécule est vitale. Kharel partage à quel point il est vital en donnant l’exemple d’un médicament connu sous le nom de thalidomide.
Découverte dans les années 60, la thalidomide était prescrite aux femmes enceintes pour traiter les nausées matinales et s’est avérée plus tard causer de graves malformations congénitales ou, dans certains cas, même la mort.
Qu’est ce qui ne s’est pas bien passé? Le médicament avait des structures moléculaires mixtes, l’une responsable du traitement des nausées matinales et l’autre causant malheureusement des effets néfastes dévastateurs sur le fœtus.
Le besoin d’une science proactive et non réactive a poussé Huang et ses étudiants à poursuivre cet effort de recherche qui a commencé à l’origine par pure curiosité.
« Il est tellement crucial de déterminer avec précision les structures de ces molécules », a déclaré Kharel.
En règle générale, les structures moléculaires sont déterminées avec des techniques indirectes, une approche longue et difficile qui utilise la résonance magnétique nucléaire ou la diffraction des rayons X. Pire encore, les méthodes indirectes peuvent produire des structures incorrectes qui donnent aux scientifiques une mauvaise compréhension de la composition d’une molécule pendant des décennies. L’ambiguïté entourant les structures des petites molécules pourrait être éliminée en utilisant des méthodes d’imagerie directe.
Au cours de la dernière décennie, Huang a vu des progrès significatifs dans la technologie de microscopie électronique cryogénique, où les biologistes congèlent les grosses molécules pour capturer des images de haute qualité de leurs structures.
« La question que j’avais était : qu’est-ce qui les empêche de faire la même chose pour les petites molécules ? » dit Huang. « Si nous pouvions faire cela, vous pourriez être en mesure de résoudre la structure (et) de comprendre comment synthétiser un composé naturel fabriqué par une plante ou un animal. Cela pourrait s’avérer très important, comme un excellent combattant des maladies », dit Huang.
Le défi est que les petites molécules sont souvent 100 voire 1 000 fois plus petites que les grosses molécules, ce qui rend leurs structures difficiles à détecter.
Déterminés, les étudiants de Huang ont commencé à utiliser la méthodologie existante des grandes molécules comme point de départ pour développer des techniques d’imagerie pour faire apparaître les structures des petites molécules.
Contrairement aux grosses molécules, les signaux d’imagerie des petites molécules sont facilement submergés par leur environnement. Au lieu d’utiliser de la glace, qui sert généralement de couche de protection contre l’environnement hostile du microscope électronique, l’équipe a conçu un autre plan pour maintenir intactes les structures des petites molécules.
Comment tempérer l’environnement d’une molécule ? En utilisant du graphène.
Le graphène, une couche unique d’atomes de carbone qui forment un réseau serré en nid d’abeille en forme d’hexagone, dissipe les réactions dommageables lors de l’imagerie.
La stabilisation de l’environnement de la petite molécule n’était qu’un des problèmes que les chercheurs de l’Illinois devaient gérer. L’équipe a également dû limiter son utilisation d’électrons, aussi bas qu’un millionième du nombre d’élections normalement utilisées, pour illuminer les molécules.
De faibles doses d’électrons garantissent que les molécules bougent encore suffisamment pour que les chercheurs capturent une image.
« La façon dont j’aime y penser est que la molécule n’aime pas être bombardée par des élections à plus haute énergie, mais nous devons le faire pour pouvoir voir la structure, et le graphène aide à dissiper une partie de cette charge loin du molécule afin que nous puissions en obtenir une belle image », a déclaré Janicek.
Malheureusement, une fois capturées, les molécules étaient presque invisibles dans l’image.
« Lorsqu’ils prennent une image à faible dose, cela ressemble initialement à du bruit ou à de la télévision statique, presque comme si rien n’était là », a déclaré Huang.
L’astuce consistait à isoler les structures atomiques de ce bruit en utilisant une transformée de Fourier – une fonction mathématique qui décompose l’image de la petite molécule – pour voir sa fréquence spatiale.
« Nous avons pris des images de centaines de milliers de molécules et les avons additionnées pour créer une image unique et claire », a déclaré Kharel.
Cette approche de moyenne a permis à l’équipe de créer des images nettes des atomes des molécules sans endommager l’intégrité d’une molécule individuelle.
« Mois après mois, semaine après semaine, notre résolution s’est améliorée », a déclaré Huang. « Et puis un jour, mes étudiants sont venus et m’ont montré les atomes de carbone individuels – c’est une réalisation majeure. Et bien sûr, cela vient après toutes ces connaissances approfondies qu’ils ont acquises pour concevoir une expérience d’imagerie et comment déverrouiller des données à partir de ce que ressemble à rien. »
Cette découverte collective ouvre la voie à de nombreuses autres découvertes d’imagerie de molécules structurelles.
« Il y a eu tout ce champ de petites molécules qui ont été laissées de côté, pour ainsi dire. Nous mettons en lumière comment y arriver en tant que champ ? Comment faisons-nous cette chose qui pour nous en ce moment est très difficile? » dit Huang. « Un jour, ce ne sera pas le cas, c’est l’espoir. »
Les efforts des chercheurs de l’Illinois sont la première grande étape pour transformer ce rêve en réalité.
« Un jour, ce sera la façon dont nous résoudrons la structure d’une petite molécule », a déclaré Huang. « Les gens jetteront simplement la molécule dans le microscope électronique, prendront une photo et auront terminé. »
Ce rêve inspire Huang et son équipe de l’Illinois à garder le cap.
« Cela change potentiellement la vie, et nous l’avons fait exister », a déclaré Huang. « Nous n’avons pas encore simplifié les choses, mais des techniques d’imagerie comme celle-ci vont tellement changer la science et la technologie. »
Priti Kharel et al, Imagerie à résolution atomique de petites molécules organiques sur le graphène, Nano-lettres (2022). DOI : 10.1021/acs.nanolett.2c00213