Nanobiologie : comprendre le vivant et agir sur lui

Un des enjeux prin­ci­paux de la biolo­gie est de com­pren­dre le fonc­tion­nement de cette petite usine qu’est la cel­lule. Les out­ils usuels de la biolo­gie per­me­t­tent d’aborder cette ques­tion aux deux extrémités : à l’échelle molécu­laire, ou au niveau de la cel­lule, comme si cette usine cel­lu­laire était décrite par une pho­togra­phie d’ensemble et un zoom sur sa visserie.

La cellule, une nano-usine

Neu­rone de rat en cul­ture dont des récep­teurs au GABA (un neu­ro­trans­met­teur) sont mar­qués par des nanocristaux semi-con­duc­teurs CdSe/ Zns. La taille réelle du neu­rone est d’une dizaine de microns.

L’échelle naturelle de com­préhen­sion de la biolo­gie est ain­si celle des nanosciences (entre 1 nm et 1 μm), où la dynamique de la sig­nal­i­sa­tion cel­lu­laire peut être observée. Ce niveau d’observation et de con­trôle est cepen­dant longtemps resté inaccessible.

Ces con­sid­éra­tions, et le développe­ment de nanomatéri­aux et de méth­odes d’observation nanoscopiques, per­me­t­tent l’émergence de la nanobi­olo­gie. Elle désigne l’utilisation de tech­niques ou d’objets issus des nanosciences pour la biolo­gie – la bio­nan­otech­nolo­gie – mais aus­si l’étude nou­velle de la dynamique des phénomènes biologiques aux échelles nanométriques – la biolo­gie nanométrique.

Bionanotechnologie

La biolo­gie en lab­o­ra­toire et le diag­nos­tic médi­cal s’appuient sur des méth­odes ana­ly­tiques per­me­t­tant de révéler la présence de bio­molécules dans des échan­til­lons par la recon­nais­sance spé­ci­fique de la cible par un agent de mar­quage sou­vent cou­plé à des molécules organiques luminescentes.

Cepen­dant, ces molécules se déna­turent rapi­de­ment sous illu­mi­na­tion suiv­ant un phénomène appelé pho­to­blanchi­ment. Cela lim­ite forte­ment la sen­si­bil­ité de détec­tion et le suivi dans le temps d’un proces­sus biologique.

Détection in vivo et in vitro

Dans ce con­texte, l’utilisation de nanopar­tic­ules, comme des nanocristaux semi-con­duc­teurs, des nanopar­tic­ules de ter­res rares, ou des nan­odia­mants, a été dévelop­pée depuis le début des années 2000.

“ L’échelle naturelle de compréhension de la biologie est celle des nanosciences ”

Leurs pro­priétés optiques excep­tion­nelles, en ter­mes de pho­to­sta­bil­ité et de lumi­nosité, ont per­mis la détec­tion de bio­molécules in vit­ro et in vivo, avec des per­for­mances sen­si­ble­ment supérieures aux sys­tèmes exis­tants. Ces out­ils se pop­u­larisent ain­si dans les lab­o­ra­toires spé­cial­isés en rem­place­ment des mar­queurs organiques traditionnels.

La pro­duc­tion de par­tic­ules à con­traste mul­ti­ple (lumi­nes­cence, IRM, rayons X, etc.) per­met alors de con­stituer une nou­velle « boîte à out­ils » pour l’imagerie biologique. Elles seront vraisem­blable­ment bien­tôt mûres comme tech­nolo­gies de sub­sti­tu­tion à celles exis­tant pour le diag­nos­tic médical.

Théranostique

Des nanopar­tic­ules ont par ailleurs été util­isées pour des appli­ca­tions médi­cales comme mar­queurs ou comme trans­porteur d’une sub­stance active. Des polymères peu­vent ain­si for­mer des par­tic­ules d’encapsulation et adress­er spé­ci­fique­ment un traite­ment vers un site spécifique.

L’association de la mesure pour le diag­nos­tic et de la thérapie adap­tée par un même dis­posi­tif con­stitue un nou­veau champ, la théra­nos­tique. Les nan­otech­nolo­gies peu­vent jouer un rôle essen­tiel dans son développe­ment en per­me­t­tant de com­bin­er ces mul­ti­ples fonc­tions sur une unique plateforme.

Biologie nanométrique

Cel­lule tumorale humaine (HeLa) placée dans un gra­di­ent de fac­teur de crois­sance ayant inter­nal­isé des nanopar­tic­ules YVO₄:Eu dont la lumi­nes­cence mesure la con­cen­tra­tion en espèces oxy­dantes indiquée par le code couleur. La barre d’échelle indique 5 μm.

Au-delà de l’aspect tech­nologique, chang­er d’échelle pour son­der la machiner­ie cel­lu­laire au niveau nanométrique peut con­tribuer à sa com­préhen­sion, en renou­ve­lant con­ceptuelle­ment sa description.

Des nanopar­tic­ules ont été util­isées comme mar­queurs biologiques pour suiv­re la dynamique de molécules indi­vidu­elles à l’intérieur d’une cel­lule. Le nom­bre de molécules impliquées dans un proces­sus cel­lu­laire étant sou­vent faible, cette approche a per­mis de révéler des modal­ités de trans­duc­tion du sig­nal cel­lu­laire encore incon­nues, con­cer­nant par exem­ple l’organisation synaptique.

L’observation résolue à la fois dans le temps et l’espace de la sig­nal­i­sa­tion cel­lu­laire, c’est-à-dire le suivi dynamique des inter­ac­tions molécu­laires mis­es en jeu dans la réponse cel­lu­laire à une mod­i­fi­ca­tion de son envi­ron­nement est essen­tielle et désor­mais pos­si­ble par l’utilisation de l’imagerie super­ré­solue ou de molécules individuelles.

Nanosondes

Des nanopar­tic­ules ont égale­ment été util­isées comme nanoson­des intra­cel­lu­laires pour réalis­er des car­togra­phies dynamiques d’une réponse cel­lu­laire avec une pré­ci­sion de local­i­sa­tion spa­tiale de l’ordre d’une dizaine de nanomètres.

“ Des nanoparticules ont été utilisées comme marqueurs biologiques »”

L’utilisation de nanopar­tic­ules de YVO₄:Eu, dont la lumi­nes­cence est mod­ulée par la présence d’oxydants, a ain­si per­mis de suiv­re la pro­duc­tion locale d’espèces oxygénées réac­tives en réponse au sig­nal d’un fac­teur de croissance.

Des nan­otubes de car­bones gref­fés sur des sur­faces ont égale­ment été util­isés dans le même objec­tif. Il est ain­si pos­si­ble de réalis­er un dosage dans un vol­ume nanométrique à l’intérieur d’une cel­lule pour son­der un sig­nal local­isé et éventuelle­ment éval­uer l’impact d’un traite­ment thérapeu­tique à l’échelle moléculaire.

Nanocontrôle

Le con­trôle à cette échelle est une étape sup­plé­men­taire et le posi­tion­nement sub­cel­lu­laire de nanopar­tic­ules mag­né­tiques gref­fées à des pro­téines a par exem­ple per­mis d’induire une réponse cel­lu­laire localisée.

Les dis­posi­tifs micro et nanoflu­idiques peu­vent créer des stim­u­la­tions struc­turées dans l’espace tan­dis que les sys­tèmes élec­tron­iques minia­tur­isés per­me­t­tent le con­trôle et la mesure de l’activité élec­trique avec une réso­lu­tion sub­cel­lu­laire. L’association de ces out­ils per­met alors d’envisager des études por­tant sur des sys­tèmes cel­lu­laires com­plex­es con­trôlés, dans une approche de type organ on chip avec une pré­ci­sion nanométrique pour le suivi de leur activité.

Ces avancées per­me­t­tent d’envisager la mesure et le con­trôle nanométrique des voies de sig­nal­i­sa­tion dans une cel­lule choisie, qui sera une approche puis­sante pour le diag­nos­tic et la con­cep­tion de traite­ments innovants.

La nanobi­olo­gie ouvre ain­si la voie, au-delà de la médecine per­son­nal­isée, vers la nanomédecine, où l’action thérapeu­tique serait local­isée à l’échelle subcellulaire.

Les atouts de Paris-Saclay

La nanobi­olo­gie se situe à une con­ver­gence entre sci­ence des matéri­aux, biolo­gie molécu­laire, cel­lu­laire et sys­témique. La capac­ité de créer une syn­ergie entre les mul­ti­ples com­pé­tences néces­saires, déjà présentes au plus haut niveau inter­na­tion­al à Paris-Saclay, à com­mencer par l’affirmation de la nanobi­olo­gie comme dis­ci­pline au niveau de la recherche et de l’enseignement, sem­ble essen­tielle pour abor­der cette nou­velle frontière.

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