Microparticules avec sensation

Une équipe de recherche internationale dirigée par l'Institut Max Planck de microbiologie marine de Brême, l'université d'Aarhus et le Science for Life Lab d'Uppsala a mis au point de minuscules particules qui mesurent la concentration d'oxygène dans leur environnement. Elles peuvent ainsi suivre simultanément l'écoulement des fluides et la teneur en oxygène - des perspectives passionnantes pour de nombreux domaines de recherche, de la biologie à la physique.

La surface d'un corail est accidentée. Son squelette dur est peuplé de polypes qui tendent leurs tentacules dans l'eau environnante pour en filtrer la nourriture. Mais comment l'eau s'écoule-t-elle exactement sur la surface du corail, quels sont les tourbillons et les flux qui se forment, et quelles sont les conséquences pour l'approvisionnement en oxygène autour du corail et des algues qui lui sont associées ? Jusqu'à présent, il n'existait aucune réponse à ces questions. Une équipe internationale de chercheurs, composée de Soeren Ahmerkamp de l'Institut Max Planck de microbiologie marine de Brême, de Klaus Koren de l'Université d'Aarhus au Danemark et de Lars Behrendt de l'Université d'Uppsala et de SciLifeLab en Suède, a mis au point une méthode permettant d'étudier simultanément le flux et les concentrations d'oxygène à très petite échelle. Il est désormais possible de voir comment les coraux génèrent un flux avec leurs cils, augmentant ainsi le transport d'oxygène.

Précis et rapide comme jamais auparavant

L'oxygène et la vie sont inextricablement liés, de la cellule unique à l'organisme entier. Sur quelques micromètres et en quelques millisecondes, les concentrations d'oxygène peuvent changer en fonction du flux ou de l'activité des organismes. Les méthodes existantes mesurent généralement les concentrations d'oxygène et les flux séparément et, par conséquent, de nombreuses corrélations entre ces deux paramètres ne pouvaient pas être détectées. Ahmerkamp et ses collègues y parviennent maintenant d'un seul coup : Ils mesurent les concentrations d'oxygène et le débit simultanément et avec une précision et une rapidité jamais atteintes auparavant. Les chercheurs ont baptisé leur nouvelle méthode sensPIV. PIV est l'abréviation de "Particle Image Velocimetry" (vélocimétrie par image de particules), une méthode bien établie pour mesurer le flux avec des particules. Maintenant, le "sens" est ajouté, les particules sentent leur environnement chimique.

Ce travail a constitué un défi technique. Dans les moindres détails, l'équipe a réussi à produire de minuscules particules d'un diamètre inférieur à 1 micromètre, qui sont trempées dans un colorant luminescent (à titre de comparaison : un cheveu humain a un diamètre d'environ 100 micromètres). Ce colorant brille d'autant plus fort que la présence d'oxygène est faible. "Il était particulièrement important que les particules réagissent très rapidement aux changements de concentration d'oxygène. Nous avions également besoin de caméras spéciales pour enregistrer la fluorescence avec précision", explique le co-auteur Farooq Moin Jalaluddin, de l'Institut Max Planck de Brême. Il ajoute : "Avec la méthode sensPIV, nous sommes en mesure de résoudre des écoulements de fluides rapides et à petite échelle."

Utile en médecine, en biologie, et bien plus encore

Les applications possibles de la sensPIV sont multiples. De nombreux organismes interagissent avec l'oxygène, et la sensPIV peut donc apporter des réponses à des questions ouvertes dans les sciences de la vie. Ahmerkamp et ses collègues l'ont utilisée, par exemple, non seulement sur les coraux, mais aussi pour examiner en détail la façon dont l'oxygène circule dans le sable. Les processus métaboliques à petite échelle des microbes, des animaux et des plantes peuvent également être étudiés de cette manière. De nombreuses autres applications voient le jour dans le domaine de la microfluidique, qui étudie le comportement des liquides dans les espaces les plus restreints, et en médecine.

La première idée de cette méthode est apparue il y a plusieurs années déjà. "Mais ce n'est que grâce à l'excellente équipe internationale et à notre étroite collaboration que l'idée s'est transformée en une application fonctionnelle et polyvalente", déclare M. Ahmerkamp. L'équipe se réjouit des prochaines applications de la méthode. "Les particules ne sont pas difficiles à produire une fois que l'on sait comment faire", explique Klaus Koren. L'équipe envisage également de poursuivre le développement de la méthode : "Nous aimerions rendre la sensPIV réceptive à des substances autres que l'oxygène. Klaus y travaille déjà", ajoute Lars Behrendt.