Gauche ou droite? La technique d’image unique révèle des nanostructures chirales

En quoi les molécules gaucher et droitiers diffèrent-elles? Les chercheurs de Eth Zurich utilisent une nouvelle méthode d’imagerie pour visualiser ce qui n’était auparavant que mesurable en moyenne, ouvrant de nouvelles possibilités de biologie et de science des matériaux.

Pourquoi les graines de la menthe verte et du carvi sent-elles si différentes, bien que leurs molécules de parfum principales soient presque identiques? Pourquoi un médicament peut-il sauver des vies, tandis que son image miroir est inefficace ou même nocive? La réponse réside dans la chiralité, la «maindence» des molécules. Tout comme les mains gauche et droite sont similaires mais ne peuvent pas être placées les unes sur les autres, il existe des versions gauche et droite de nombreuses molécules. Ceux-ci ont souvent des effets complètement différents.

Une équipe de recherche de Eth Zurich dirigée par Romain Quidant, professeur de nanophotonique, a développé une méthode qui permet de visualiser la chiralité spatialement en utilisant une seule image. Jusqu’à présent, la chiralité n’a principalement pu être mesurée que sur l’ensemble de l’échantillon, et le résultat a toujours été une valeur moyenne.

“Avec cette nouvelle méthode, nous pouvons utiliser une seule image pour identifier les zones de notre échantillon où des structures gaucher et droitiers se produisent”, explique Rebecca Büchner, un doctorant travaillant sous Quidant et auteur principal de l’étude publiée dans la revue Photonique de la nature.

Léger comme clé de la main

Pour l’étude, Büchner a utilisé des nanostructures d’or spécialement fabriquées, c’est-à-dire des échantillons chiraux produits artificiellement, qui ont été fabriqués par Jose García-Guirado, directeur de laboratoire dans le groupe de Quidant. Büchner savait donc combien de composants droitiers et gauchers s’attendre à l’image.

Pour rendre la chiralité des échantillons visible, elle a utilisé une méthode d’imagerie nouvellement développée qui fonctionne comme une caméra hautement spécialisée. Ce qui le distingue, c’est sa capacité à détecter comment l’échantillon interagit avec différents types de lumière polarisée circulaire.

La lumière polarisée circulaire est un type de lumière où les ondes lumineuses tournent en spirale à mesure qu’elles se déplacent, à gauche ou à droite. De nombreuses molécules chirales dans la nature réagissent différemment à ces types de lumière: elles absorbent la lumière gauche plus que la lumière droite ou tournent légèrement leur direction d’oscillation, par exemple.

Contrairement aux méthodes traditionnelles qui ont besoin de deux mesures distinctes avec une polarisation circulaire gauche et droite, le système de Büchner capture les deux directions spirales à la fois. Il utilise une configuration optique intelligente: après avoir traversé l’échantillon, la lumière est divisée en composants circulaires gauche et droit à l’aide de faisceaux de référence qui créent des motifs d’interférence. Ces modèles révèlent comment chaque type de lumière interagit avec l’échantillon, ce qui rend la chiralité visible.

Une caméra normale ne capturerait qu’une image illisible de cette superposition. Grâce à la nouvelle méthode, cependant, un ordinateur peut lire avec précision les informations. Les cartes codées en couleur résultantes montrent quelles parties de l’échantillon sont gauchers et lesquelles sont droitiers. “Nous avons même pu visualiser des lettres telles que« L »et« R », qui étaient constituées de nanostructures avec des mains différentes», rapporte Büchner.

Opportunités pour la biologie et la science des matériaux

“Je vois le plus grand potentiel pour notre méthode partout où la chiralité varie spatialement, ce qui a été pratiquement impossible à mesurer jusqu’à présent”, explique Jaime Ortega Arroyo, scientifique senior et co-superviseur du projet. Il s’agit d’un problème bien connu, en particulier dans la science des matériaux: les matériaux chiraux sont difficiles à résoudre spatialement, comme lorsque différentes zones dans un matériau ont une main différente. La nouvelle méthode permet désormais de visualiser directement ces différences.

Les chercheurs voient également le potentiel d’échantillons biologiques. Par exemple, les tissus sains et malades peuvent différer non seulement par leur structure cellulaire mais aussi dans leur chiralité. Avec l’approche d’imagerie, il serait possible de détecter de telles différences directement dans le tissu sans coloration ou intervention mécanique. “Cela s’applique non seulement aux molécules mais aussi à des structures plus grandes telles que des parties des cellules, dont la chiralité n’a guère été étudiée à ce jour”, explique Büchner.

Il existe également un potentiel d’applications en pharmacie: de nombreux médicaments sont constitués de molécules chirales, dont une seule variante est efficace. Une méthode qui révèle la main de la main pourrait aider à mieux analyser des mélanges complexes ou développer de nouvelles procédures de diagnostic.

Touches finales dans le laboratoire

La nouvelle méthode d’imagerie est toujours au stade de la recherche, et les signaux mesurés jusqu’à présent sont modérés et sensibles au bruit. “Notre plus grand défi était de réduire le bruit et les signaux provenant des artefacts de l’image à un point tel que nous pourrions être sûrs que les signaux proviennent réellement de la chiralité”, explique Orroyo Orroyo.

En tant qu’étape suivante, les chercheurs veulent rendre le système plus sensible. Ils ont encore un long chemin à parcourir avant qu’il ne puisse être utilisé dans le monde réel. Pour l’instant, l’accent est mis sur l’identification des applications appropriées et l’adaptation de la méthode en conséquence. “Nous savons ce que notre plate-forme peut faire, mais d’autres chercheurs savent beaucoup mieux quels autres cas d’utilisation pourraient mieux être étudiés avec elle”, explique Büchner.