Biofutur, le mensuel européen des biotechnologies

De l'électronique résorbable en tête

Agnès Vernet — 2016-01-18T16:00:00Z

Pour suivre, durant plusieurs jours, la pression et la température intracrâniennes d'un individu, des chercheurs proposent un système résorbable et sans fil. De quoi réduire les risques infectieux et immunologiques.

Alors que les diagnostics et les suivis post-traumatiques exigent de plus en plus de données fines, les technologies pour enregistrer la température ou la pression intracrânienne restent celles des années 1980 : encombrantes, connectées via des fils et construites avec des matériaux non biocompatibles. Des chercheurs de l'Université de l'Illinois, à Urbana-Champaign, en collaboration avec l'école de médecine de l'Université Washington, à Saint Louis, et d'autres centres de recherche américains, coréens et singapouriens, ont développé un capteur résorbable à base de silicone qui peut être associé à un système de transmission des données sans fil.
En solution aqueuse, cet appareil enregistre la pression et la température avant de commencer à se dissoudre, jusqu'à se désagréger complètement dans des fluides biologiques après quatre à cinq semaines. Pour leurs tests in vivo, les chercheurs ont utilisé un capteur de la taille d'un grain de riz, formé par des feuilles extrêmement fines de silicone et posé au cours d'une opération chirurgicale dans l'espace intracrânien. Lors de ce premier test, le capteur est connecté, via des fils percutanés biodégradables, à un appareil fixé sur le sommet du crâne, à l'extérieur de la tête, qui enregistre les variations de potentiel électrochimique et transmet les données. Implanté chez le rat, ce système a démontré que les performances du capteur sont équivalentes à celles des appareils électroniques classiques et que sa résorption dans le liquide cérébrospinal est effective.
Une seconde expérimentation a ensuite été menée avec un transmetteur partiellement résorbable placé sur la boite crânienne, juste sous la peau, et connecté à l'extérieur par une technologie sans fil. Elle confirme que la connexion via des fils percutanés n'est pas indispensable.
L'électronique résorbable pourrait ainsi réduire les problèmes liés à la formation de biofilms au niveau des connexions percutanées ou aux risques de réaction immunitaire dus à l'implantation de matériel électronique. Elle évite également d'imposer aux patients une seconde opération chirurgicale afin de retirer le système de mesure. D'après les chercheurs, l'appareil est opérationnel durant au moins trois jours, ce qui est compatible avec le suivi clinique des paramètres intracrâniaux suite à un traumatisme sévère. Ils envisagent d'entamer prochainement des tests chez l'Homme. Ce système semble également adaptable à d'autres applications et à d'autres organes.

Kang SK et al. (2016) Nature, doi:10.1038/nature16492

Le capteur résorbable
© Avec l'aimable autorisation de John A. Rogers

L'heure de la transparence totale

Agnès Vernet — 2014-08-01T03:00:00Z

Après avoir dévoilé l'organisation du cerveau, des chercheurs rendent transparent un animal entier.

Le rêve de tout chercheur ? Que le mécanisme qu'il étudie devienne limpide. Des scientifiques de l'Université Stanford, en Californie ont pris cette idée au pied de la lettre et travaillent depuis plusieurs années à rendre les organes transparents afin de mieux visualiser les interactions moléculaires. En 2013, ils avaient présenté la technique Clarity afin de transformer un cerveau en hydrogel nanoporeux optiquement transparent et perméable aux biomolécules (1). En améliorant son protocole, Viviana Gradinaru, passée au California Institute of Technology (Caltech) de Pasadena, et son équipe ont réussi à nettoyer toute une souris de ses lipides et à créer ainsi un organisme entièrement transparent (2). Le concept de base ne change pas : remplacer les lipides, responsables de l'opacité des tissus, par un hydrogel transparent afin de ne pas modifier la structure de ces derniers.
La principale amélioration du protocole se joue sur la vitesse d'élimination des lipides. Les méthodes passives comme Clarity évitent d'endommager les tissus mais sont tellement lentes que leur application est restreinte aux petits organes. En optimisant la formule de l'hydrogel utilisé, le temps nécessaire pour nettoyer un tissu se réduit. Le nouveau protocole s'appuie aussi sur une nouvelle technique de transfusion de l'hydrogel empruntant le système vasculaire et permettant ainsi de diffuser les réactifs dans tout le corps. Rein, cœur, intestins, poumons... Les scientifiques de Caltech obtiennent ainsi des organes transparents in situ en deux à trois jours. Pour le cerveau et l'organisme complet, il faut compter deux semaines. À titre de comparaison, le protocole présenté en 2013 nécessitait au moins sept jours pour traiter un cerveau de souris ex situ.
La nouvelle version de Clarity reste évidemment compatible avec toutes les techniques contemporaines d'imagerie, par fluorescence notamment, même à haute résolution. Les chercheurs imaginent que cette innovation facilitera la compréhension des interactions entre le cerveau et les autres organes.

(1) Chung K et al. (2013) Nature 497, 332-7
(2) Yang B et al. (2014) Cell 158, 945–58

Visualisation en trois dimensions d'un rein intact et transparent.
© B. Yang/V. Gradinaru

Des organes sur puce bientôt sur le marché

Agnès Vernet — 2014-07-30T03:00:00Z

Le Wyss Institute lance une start-up pour commercialiser une technologie de modélisation d'organes sur des puces microfluidiques.

Proposer une méthode fiable afin de remplacer l'expérimentation animale dans l'évaluation des médicaments, des cosmétiques ou des produits chimiques, tel est l'objectif commercial d'Emulate, la nouvelle spin-off du Wyss Institute, centre de R&D interdisciplinaire spécialisé dans le biomimétisme et la bio-ingénierie basé sur le campus de l'Université Harvard. Cette start-up vise à commercialiser la technologie d'« organe-sur-puce » développée au sein de la prestigieuse institution. De la taille d'une puce électronique, il s'agit d'un instrument automatisé qui s'appuie sur la microfluidique pour modéliser un organe plus fidèlement que les cultures cellulaires (1). Chaque puce est constituée d'une ou plusieurs membranes poreuses de silicone sur lesquelles adhèrent des cellules épithéliales sur une face et endothéliales sur l'autre. Les interactions entre les tissus sont mimées par un réseau de micro-canaux.
Ces outils permettent de mesurer les variations biochimiques, génétiques ou métaboliques provoquées par un agent extérieur. Après avoir initialement proposé la modélisation d'un poumon, les chercheurs du Wyss Institute ont créé des puces représentant le foie, l'estomac, le rein ou la moelle osseuse. Ces développements ont été soutenus financièrement par l'administration américaine du médicament (FDA), les instituts de recherche sur la santé (NIH) et l'agence de recherche de l'armée américaine (DARPA). Cette dernière a plus spécifiquement participé à l'automatisation de la technologie et à l'assemblage de plusieurs organes-sur-puce afin de se rapprocher d'un modèle de corps entier.
La start-up Emulate détient désormais la licence mondiale pour commercialiser ce produit. Spécialement créée pour ce projet, la biotech se lance avec un premier financement de 12 millions de dollars par la société américaine de capital-risque NanoDimension et la participation du Centre médical Cedars-Sinai et d'Hansjorg Wyss, le fondateur milliardaire du Wyss Institute. Elle initie d'ores et déjà un programme d'industrialisation, grâce à une collaboration avec l'industriel Sony.

Source : Wyss Institute

(1) Huh D et al. (2010) Science 328, 1662-8

La chasse aux protons est ouverte

Agnès Vernet — 2014-07-24T03:00:00Z

Déterminer la présence d'un ion H⁺ est désormais possible grâce à la cristallographie neutronique.

Les enzymes à hème sont des acteurs importants du métabolisme. Grâce à leur atome de fer, elles activent l'oxygène et participent ainsi à la détoxification de l'organisme ou à la respiration. Déterminer finement leur structure et leur mécanisme d'action est donc un enjeu important.
Si la structure de la cytochrome C peroxydase a été élucidée dès 1980, le détail de son intermédiaire ferryle – quand le fer de l'hème est sous la forme Fe⁴⁺ – reste indéterminée. Depuis plusieurs années, les scientifiques cherchent à savoir si l'hème ferryle porte ou non un proton au cours de cette phase transitoire. De nombreuses techniques ont été mises en œuvre – cristallographie à rayons X et spectroscopie notamment – sans apporter de solution. Très mobiles, les ions H⁺ sont difficilement repérables et peuvent être disséminés par l'action ionisante des rayons X.
Des chercheurs de l'Université de Leicester, au Royaume-Uni, ont résolu ce problème grâce à la cristallographie neutronique, une technique qui permet de localiser les atomes d'hydrogène en évitant la dégradation de l'échantillon par les rayons X. Ils ont, dans un premier temps, déterminé la structure de l'hème de l'enzyme dans son état stable, grâce au diffractomètre à neutrons Ladi III de l'Institut Laue-Langevin de Grenoble. Cet instrument leur a permis de découvrir la structure de l'hème à une résolution de 2,4 Å. Les chercheurs ont ensuite refroidi la cytochrome C peroxydase, juste après sa transformation en intermédiaire ferryle, à une température de -173 °C. Ainsi cristallisée, la structure a pu être élucidée à 2,5 Å par le réacteur nucléaire FRM II de l'Université technologique de Munich, qui dispose d'un modérateur liquide au deutérium permettant de produire le plus haut flux de neutrons froids du monde.
La comparaison de ces deux structures démontre que l'intermédiaire ne porte pas d'ion H⁺. Elle a aussi permis de faire une découverte inattendue : la chaîne latérale d'une histidine distale de l'enzyme (His⁵²) est, elle, doublement protonée.
Voilà qui pose de nouvelles questions sur les mécanismes d'activation de l'oxygène dans les enzymes à hème. L'excellence des équipements neutroniques européens contribuera peut-être de nouveau à y répondre.

Casadei CM et al. (2014) Science 345, 193-7

Prolonger la vie des transplants

Olivier Frégaville-Arcas — 2014-07-17T03:00:00Z

Du prélèvement à la transplantation, un organe ne se conserve pas plus de 24 heures. Une nouvelle méthode de stockage repousse cette limite.

Les avancées scientifiques cherchent depuis des décennies à repousser toujours plus loin les limites du vivant. En 60 ans, les techniques permettant de transplanter un organe d'un individu à un autre n'ont cessé d'évoluer. La dernière barrière du temps de conservation d'un organe hors du corps humain vient de tomber. Jusqu'à présent, il était communément admis par les médecins qu'au delà de 24 heures un organe n'est plus viable et devient impropre à la greffe, endommagé par le froid et la solution qui permet sa conservation.
Afin de gagner du temps, Rosemarie Hunziker et ses collaborateurs du Massachussetts General Hospital de Boston ont étudié les différentes possibilités permettant de garder plus longtemps l'organe à transplanter hors du corps. Ils ont ainsi montré qu'en modifiant légèrement la solution de conservation, en y ajoutant deux composés – le 3-O-méthyl-D-glucose et le polyéthylène glycol –, il est possible de maintenir en vie sans dommage l'organe près de trois jours.

Lire la suite sur Information Hospitalière

Berendsen TA et al. (2014) Nat Med 20, 790-3

Un foie de rat conservé par le nouveau protocole qui permet de maintenir un organe dans un état autorisant une greffe pendant quelques jours.
© W. Reeves/K. Uygun/M. Yarmush/Harvard

(Méga)zoom sur la photosynthèse en action

Agnès Vernet — 2014-07-10T03:00:00Z

Grâce à la cristallographie séquentielle à haute fréquence, des chercheurs ont « filmé » les changements atomiques au cours de la photosynthèse.

Afin de percer les mystères de la photosynthèse, de nombreuses équipes ont cherché à pénétrer dans l'intimité du photosystème II (PSII), le complexe protéique situé sur la membrane des chloroplastes qui initie la photosynthèse. Au sein du PSII, un domaine concentre la curiosité des scientifiques : le complexe Z – ou Oxygen Evolving Complexe (OEC) – qui héberge la réaction d'oxydation de l'eau, indispensable à l'équilibre global de la catalyse. Les progrès de la cristallographie ont ainsi permis, en 2001, de découvrir la structure du PSII à une résolution de 3,8 Å. Puis, en 2011, de passer à la résolution de 1,9 Å afin de quasiment voir l'OEC à l'échelle atomique. Mais les dommages causés sur les protéines par les rayons X empêchaient encore la réalisation d'images séquentielles, indispensables pour reconstruire le mouvement de la réaction.
Un consortium international de chercheurs, incluant notamment l'Université d'Arizona à Tempe et le Centre pour la science des lasers à électrons libres d'Hambourg, en Allemagne, a surmonté cet obstacle en capturant des images à très haute fréquence avant la détérioration du complexe Z. Les images séquentielles ont été obtenues grâce au Linac Coherent Light Source, l'accélérateur linéaire de particules situé sur le campus de l'Université Stanford qui possède un laser rayon X à électrons libres. Cet appareil permet de capturer des images à l'échelle atomique (environ 5 Å), avec une fréquence de l'ordre de la femtoseconde (10^-15s). Les scientifiques ont soumis des cristaux nanométriques du PSII de cyanobactérie photosynthétique Thermosynechococcus elongatus à cette technique de cristallographie haute fréquence. Grâce à l'activation de l'OEC par le laser, les chercheurs ont mis en évidence la modification de conformation du complexe, qui reçoit les électrons libérés par l'oxydation de l'eau et les délivre un par un au cours de la photosynthèse. Une modification d'une ampleur inattendue : « ces changements sont tellement importants qu'ils constituent un changement global de structure et impactent la dimension des petites unités qui forment le cristal », explique Petra Fromme, qui dirige le Département de chimie et biochimie de l'Université d'Arizona.
En délivrant une image dynamique des réactions atomiques sous-jacentes à la photosynthèse, ces travaux offrent un point de vue nouveau sur le phénomène. « Si vous êtes capable d'observer toutes les étapes d'une catalyse, vous êtes peut-être en mesure de l'optimiser », rêve déjà Petra Fromme. La photosynthèse artificielle, que les fabricants de panneaux solaires appellent de tous leurs vœux, pourrait bien être à portée de laser. Mais avant de toucher ce graal de la biochimie, les chercheurs devront améliorer la résolution de leur film. Ils comptent sur la mise en service du nouveau laser rayon X à électrons libres développé à Hambourg par le projet européen XFEL – qui devrait être totalement opérationnel en 2017 – pour permettre ce saut technologique.

Kupitz C et al. (2014) Nature, doi:10.1038/nature13453

On a découvert la bio-ferroélectricité

Agnès Vernet — 2014-06-25T07:24:58Z

Polarisation électrique spontanée des matériaux, la ferroélectricité a été mise en évidence dans la paroi d'une artère.

Découverte en 1921, la ferroélectricité a discrètement changé le monde. C'est elle qui permet, par exemple, d'inscrire une information sur un disque dur. Mais ce phénomène n'est pas limité aux matériaux inertes. Des chercheurs de l'Université de l'État de Washington, à Seattle, avaient, en 2012, pour la première fois, pu mesurer des propriétés ferroélectriques dans des tissus vivants. Ils confirment aujourd'hui cette observation grâce à une collaboration avec l'Académie chinoise des sciences et les Universités de Houston et Boston. Leurs précédents travaux avaient pointé le probable rôle de l'élastine – protéine fibreuse aux propriétés élastiques secrétée par les fibroblastes durant leur croissance – dans la ferroélectricité biologique. Ils renforcent leur hypothèse et mesurent le changement de polarisation qu'induit un champ électrique sur la protéine, une propriété caractéristique de la ferroélectricité.
Un petit échantillon d'élastine prélevé sur une aorte de porc a été soumis à un champ électrique. Après avoir éteint le champ électrique, les chercheurs ont observé le changement de polarisation des élastines par microscopie à force piézoélectrique de résolution nanométrique – un mode d'utilisation du microscope à force atomique qui permet d'imager et de manipuler les domaines ferroélectriques d'un matériau – et par des mesures électriques macroscopiques. Le comportement de la polarisation des élastines s'est avéré similaire à celui d'un matériau ferroélectrique inerte. Le phénomène a aussi été mis en évidence sur la tropoélastine, monomère soluble d'élastine, ce qui indique une propriété intrinsèque de la molécule.
Reste l'épineuse question : quelles sont les fonctions biologiques de la ferroélectricité dans l'élastine ? Les chercheurs de l'Université de Washington imaginent qu'elle pourrait participer au maintien de la flexibilité de la protéine. Si cette hypothèse s'avère exacte, la détection de la ferroélectricité pourrait permettre de saisir les premières étapes de la perte de souplesse des artères, avant même que l'installation de l'athérosclérose puisse être observée.

Liu Y et al. (2014) Proc Natl Acad Sci USA,
doi:10.1073/pnas.1402909111

Observer la formation des réseaux de neurones

Safi Douhi — 2014-06-06T14:15:47Z

Grâce à la technologie d'imagerie SLIM, il est possible de voir un réseau de neurones se mettre en place.

Gabriel Popescu, de l'Université de l'Illinois, est ses collaborateurs ont appliqué la technologie de microscopie interférentielle dite SLIM (Spatial Light Interference Microscopy) pour observer la façon dont des neurones dérivés de cellules souches embryonnaires humaines s'organisent en réseau et se transmettent des molécules. Un outil qui pourrait s'avérer précieux pour étudier les désordres neurologiques liés à l'organisation neuronale.

Mir M et al. (2014) Sci Rep 4, 4434

Télécharger le plug-in Flash

Catalogue protéomique

Agnès Vernet — 2014-06-02T03:00:00Z

Dans la lignée de l'Human Genome Project, un consortium de recherche travaille à un protéome humain global.

Le séquençage du génome humain, et la mise à disposition de ses données, a été un accélérateur de recherche. Mais l'expression des protéines issues de ce génome est bien plus délicate à étudier dans sa globalité, au vu de ses variations entre les tissus, les individus ou selon le contexte hormonal. Un consortium international regroupant des universités américaines, indiennes, canadiennes, chiliennes, britanniques et chinoises s'est attaqué à cette question et propose un premier brouillon de ce protéome humain (1). Les biologistes ont réalisé un profilage peptidique de 30 échantillons de tissus humains – 17 tissus adultes, 7 tissus fœtaux et 6 cellules hématopoïétiques primaires. Ils ont ainsi identifié les protéines codées par 17 294 gènes, soit environ 84 % des gènes codants identifiés chez l'homme. Mais ce n'est pas tout. Leurs analyses ont aussi mis au jour 193 nouvelles régions du génome associées à l'expression de protéines, parmi lesquelles on trouve des pseudogènes, des ARN étiquetés non codant et des cadres de lecture non conformes. Le génome réserve toujours des surprises.
Construire un protéome global, c'est aussi offrir à la communauté scientifique un catalogue en ligne des peptides et protéines exprimés dans différents tissus et à différents moments du développement humain. Mais avec seulement 30 tissus différents, ce grand livre est encore incomplet. Les chercheurs à l'origine de ce projets espèrent que d'autres les rejoindrons dans l'aventure. Ils publient, dans un second article, le détail de leur technique afin de construire un standard méthodologique et assurer la cohérence des données qui viendront compléter cet Human Proteome Project (2).

(1) Kim MS et al. (2014) Nature 509, 575-81
(2) Wilhelm M et al. (2014) Nature 509, 582-7

Des souris et des atomes

Agnès Vernet — 2014-05-16T03:00:00Z

Des souris porteuses d'atomes lourds améliorent la fiabilité des cultures cellulaires.

Formidable outil d'analyse structurale, la spectrométrie par résonance magnétique nucléaire (RMN) fait appel à des atomes dits « lourds » mais non radioactifs comme le carbone-13 (¹³C) ou l'azote-15 (¹⁵N) pour étudier l'organisation tissulaire à l'échelle atomique. Il faut donc d'abord enrichir les tissus de ces atomes lourds, une option que l'on réserve aux cultures in vitro. Des chercheurs de l'Université de Cambridge ont refusé cette limite et décidé de créer des souris porteuses d'un taux conséquent – 20 % – d'atomes lourds afin d'obtenir des spectres RMN de référence pour chaque tissu. Pour cela, ils ont tout simplement nourri les animaux avec des aliments enrichis en ¹³C et ¹⁵N. « Cela paraît étrange mais personne n'avait essayé auparavant », s'étonne encore Melinda Cuer, une des chimistes qui a réalisé ces travaux.
Les tissus de ces « souris lourdes » ont ainsi pu être analysées par RMN et fournir des données sur les structures atomiques « in vivo ». Ces spectres de référence ont ensuite été comparés à ceux de cultures classiques enrichies en ¹³C et ¹⁵N. Les chercheurs de l'université britannique ont ainsi pu mesurer la fiabilité de leurs cultures et le taux de ressemblance atomique avec les tissus des souris lourdes. De proche en proche, en jouant sur les conditions d'incubation, ils ont obtenu une culture de tissus osseux dont le spectre était quasiment superposable au spectre de référence. La similarité a aussi été confirmée en microscopie électronique et en microscopie à force atomique.
En étudiant la matrice extracellulaire des cultures de tissus en croissance, les chercheurs y ont fait une découverte étonnante : des polyADP-riboses (PAR), une molécule connue pour résider uniquement dans les noyaux et participer aux réparations de l'ADN. Et les PAR ne sont présents dans la matrice que durant la période de minéralisation des os, suggérant qu'ils participent au phénomène.
Cette nouvelle approche pour évaluer la fiabilité des cultures cellulaires donne accès à des informations inédites sur l'organisation des tissus et pourrait, à terme, réduire l'utilisation des animaux de laboratoire.

Chow WY et al. (2014) Science 344, 742-6

Biofutur, le mensuel européen des biotechnologies

De l'électronique résorbable en tête

L'heure de la transparence totale

Des organes sur puce bientôt sur le marché

À lire aussi sur biofutur.com

La chasse aux protons est ouverte

À lire aussi sur biofutur.com

Prolonger la vie des transplants

(Méga)zoom sur la photosynthèse en action

À lire aussi sur biofutur.com

On a découvert la bio-ferroélectricité

À lire aussi sur biofutur.com

Observer la formation des réseaux de neurones

Catalogue protéomique

Des souris et des atomes