Ces chercheurs se focalisent sur l’étude, la manipulation et l’imagerie d’espèces biologiques, de la cellule à l’animal, et sur le développement d’outils dédiés pour interfacer ces objets, afin d’adresser des enjeux à la fois très fondamentaux ou pratiques pour le biomédical.
Le lien entre structure et fonction est un enjeu fondamental en sciences de la vie. Alors que les formes 3D des protéines sont déterminées par des interactions complexes, les nanostructures d’ADN sont auto-assemblées via un appariement nucléotidique programmable et le paysage énergétique exploré pendant le processus de pliage peut être conçu. Notre approche est basée sur l’investigation thermodynamique directe de l’auto-assemblage en effectuant la nanocalorimétrie sur un origami d’ADN modifié. Notre objectif est de mieux comprendre l’ingénierie biomoléculaire de ces systèmes synthétiques afin de concevoir des fonctions personnalisées et de les intégrer de manière hiérarchique dans des structures plus grandes trouvant des applications dans les nanotechnologies, les sciences de la vie et la santé.
Motif moléculaire en ADN. L’origami d’ADN est une plateforme pour étudier avec une résolution moléculaire la position des molécules. Il peut être utilisé pour forcer des voies de réaction avec des enzymes immobilisées par exemple.
Suivre l’activité et l’organisation de systèmes neuronaux (de l’in-vitro à l’in-vivo) est important pour comprendre les capacités computationnelles des réseaux de neurones, ou suivre l’apparition de disfonctionnements et mécanismes de résilience associés à des pathologies. Pour cela, nous développons à la fois des réseaux de neurone modèles in-vitro dans des états sains et pathologiques, ainsi que de nouveaux dispositifs pour interroger ces réseaux, à différentes échelles, et avec le minimum de perturbation. Ces études sont par nature très interdisciplinaires, alliant la biologie cellulaire, les modèles biophysiques, la nanoélectronique et l’imagerie rapide (coll. LiPHY INSERM) et la chimie des matériaux constituant l’interface avec le vivant (Biomedical Physics and Engineering Express, 2019; coll. CERMAV).
Dernièrement, nous avons développé des matrices de transistors à effet de champ FET en graphène qui nous permettent de suivre l’activité électrique de neurones individuels (Frontiers in neuroscience 2017, 11, 466) ainsi que de détecter l’ouverture et la fermeture de canaux ioniques uniques qui sont des événements subcellulaires, difficilement mesurables par des techniques non-invasives (2D Materials 2018, 5, 045020; coll. IMEP, ICN2). Ces interfaces à base de graphène nous permettent de suivre l’activité de systèmes neuronaux pendant plusieurs semaines. Elle offrent aussi plusieurs avantages comme la transparence dans le domaine du visible pour combiner des voies optiques, ainsi qu’une grande flexibilité et une excellente biocompatibilité qui permet d’améliorer l’acceptation et la stabilité dans le temps des interfaces neuronales (Biomaterials 2016, 86, p33; Adv. Healthcare Mater.2019, 8, 1801331; coll EPFL). Nous continuons d’améliorer l’efficacité de détection et la résolution de ces capteurs, ainsi que la biocompatibilité et la versatilité de ces interfaces, pour les appliquer aux réseaux modèles in-vitro et chez l’animal. Les enjeux sont vastes allant du très fondamental à des applications plus médicales.
Micrographie électronique à balayage représentative de neurones d’hippocampe cultivés 21 jours sur une matrice de transistors à effet de champ en graphene. Barre d’échelle 50 μm.
Les semi-conducteurs organiques sont utilisés pour les cellules solaires. Nous étudions les différentes étapes par lesquelles l’énergie lumineuse incidente se transforme d’abord en énergie chimique (excitonique) puis en énergie électrique. Le mécanisme fondamental en jeu se retrouve également dans de nombreux systèmes de photo-catalyse et de photo-synthèse.
Premièrement, le photon est absorbé dans le matériau donneur et crée un exciton localisé qui transporte l’énergie du photon. Cet exciton diffuse jusqu’à l’interface entre les matériaux donneurs et accepteurs. Le mécanisme de séparation électron-trou qui se produit à l’interface constitue une étape clé pour la transformation de l’énergie et aussi pour l’efficacité des cellules solaires. L’interface est une zone complexe et la séparation électron-trou dépend de la molécule des deux côtés, du potentiel électrique local et du couplage entre charges et modes de vibration.
Dans la première étape de la photosynthèse (partie légère), il y a aussi une formation d’exciton par absorption de photons puis une séparation de charges entre l’électron et le trou qui sont liés dans l’exciton. Pourtant, les charges séparées ne créent pas de courant électrique comme dans une cellule solaire mais produisent plutôt une série de réactions redox.
(1) Un exciton est créé du côté donneur (à gauche) par absorption de photons; (2) Il diffuse jusqu’à l’interface donneur-accepteur; (3) Il se divise en un électron du côté accepteur (à droite) et un trou du côté donneur (à gauche).
Nous développons différentes sources de champ magnétique pour des applications en sciences de la vie. Ces sources de champ sont de deux types: (i) des micro-aimants dans la gamme 10-100 µm, qui produisent des gradients de champ magnétique jusqu’à 106 T / m et donc des forces considérables à l’échelle cellulaire et (ii) des générateurs de champ magnétique pulsé qui produisent des champs magnétiques allant jusqu’à 10 T sur 10 µs (Linksium projet pumag).
En collaboration avec des biologistes, nous utilisons ces sources de champ pour étudier l’influence des champs magnétiques sur les cellules et les processus cellulaires (coll. Académie des sciences de république tchèque, Prague; PLoS ONE, 2013, 8, e70416) et pour manipuler mécaniquement différentes entités biologiques (cellules, embryons, ADN…). Cette manipulation peut servir à différentes applications :
• Piégeage de cellules magnétiques par des micro-aimants (coll. Ampere, Lyon; Sensors and Actuators B, 2014, 195, 581)
• Appliquer un stress physiologique sur les embryons par l’interaction entre des micro-aimants et des nanoparticules magnétiques internalisées (coll. Institut Curie, Paris; Nature Comm., 2017, 8,13883)
• Déformation controlée de cellules individuelles par un substrat magnéto-actif contenant des micro-aimants (coll. LIPhy, Grenoble; Sci. Rep., 2018, 8, 1464)
• Micro-robots magnétiques pour la manipulation de cellules (coll. Liphy and G2ELab, Grenoble)
(A gauche) piégeage des cellules magnétiques par des micro-aimants de NdFeB observés en fluorescence; (milieu) substrat magnéto-actif pour la stimulation mécanique locale de cellules individuelles ; Micro-pince magnétique (à droite) pour la manipulation des cellules.
Le développement des pinces optiques a été en grand partie motivé par leur grand potentiel dans le domaine de la biologie. Elles ont permis d’améliorer significativement la manipulation et la caractérisation d’objets tel que les cellules, les protéines ou l’ADN.
A l’Institut Néel nous avons mis en place plusieurs types de pinces optiques fibrées. Par rapport aux pinces optiques intégrées dans un microscope, les pinces fibrées sont complémentaires avec des avantages dans des milieux complexes ou à grand volume. Récemment nous avons développé un nouveau type de fibres optiques micro structurées qui permet le piégeage efficace soit en utilisant deux fibres en face-à-face soit avec une seule fibre. Dans le deuxième cas nous avons piégé des levures, des bactéries et aussi des algues vivantes.
Puisqu’il a été prouvé que la génétique ne dirige pas le développement biologique complet au niveau cellulaire mais que les environnements mécaniques, physiques et chimiques ont une grande influence sur le développement cellulaire, il devient très pertinent d’étudier ces impacts environnementaux. À cet effet, nous utilisons la microscopie à force atomique AFM (Atomic Force Microcopy) pour mesurer des cartes de force semi-quantitatives sur des cellules individuelles et nous les combinons avec des cartes fluorescentes qui fournissent des informations architecturales 3D.
Ensuite, nous fusionnons ces ensembles de caractérisations expérimentales dans un moteur de réalité virtuelle (VR) qui est équipé d’un système haptique pour développer une station VR interactive pour explorer dynamiquement les données. Cette station multisensorielle s’inscrit dans une démarche de « mise en valeur des données » améliorant l’exploration de données complexes et multiples.
Ces études sont développées en collaboration avec des biologistes de l’IAB (Institut pour l’Avancée des Biosciences, Grenoble), des informaticiens et des roboticiens de l’ICA (Ingénierie et Création Artistique-Grenoble) et de l’ENISE (Ecole Nationale d’Ingénieurs de Saint-Etienne) et avec le support technologique de la plateforme Nanoworld de CIME Nanotech.
Nous avons développé une expérience de spectroscopie optique de corrélation dédiée à l’étude in situ de solutions colloïdales métalliques ou fluorescentes. L’objectif de ces expériences est de déterminer le coefficient de diffusion des nanoparticules en solution afin de connaitre leur taille et/ou leur état d’agrégation. En mesurant la diffusion Rayleigh des particules, on réalise ainsi des expériences de DLS (Dynamic Light Scattering) qui permettent de caractériser les solutions dans leur ensemble. On peut également choisir de mesurer les intensités inélastiques de fluorescence des NPs ou de molécules témoins ou du signal Raman de molécules adsorbées sur des NPs métalliques (ACS Omega 2019, 4 p 2283). Ceci confère au montage une sélectivité chimique permettant de cibler les nano-objets à caractériser ce qui peut avoir un fort intérêt en biologie, lorsque ces objets se trouvent dans des milieux complexes tels que le sang ou des milieux cellulaires.
L’ingénierie des nanomatériaux est utilisée pour produire des nanotraceurs originaux : des nanocristaux constitués de fluorophores organiques à forte section efficace d’absorption à deux photons et émettant dans le rouge / infrarouge (1ère fenêtre biologique) sont à l’étude pour la bio-imagerie in vivo. Ils sont produits à l’aide d’un processus de séchage d’aérosols en une seule étape, sous forme de nanocristaux recouverts de silice qui peuvent être facilement fonctionnalisés (New J Chem 2018 p15353). De plus, des colloïdes de nanocristaux fluorescents sont également produits en solution à l’aide d’un montage original de sonocristallisation, et présentent une luminosité très élevée in vitro. (coll. C Andraud, ENS Lyon; M Gary-Bobo, IBMM Montpellier and O Pascual, INSERM Lyon).
(À gauche) Nanocristaux organiques après gravure de la matrice de silice; (Droite) Image de fluorescence à deux photons du système vasculaire d’un cerveau de souris à l’aide de nanoparticules fluorescentes organiques @ silicate (rouge). Les souris expriment la GFP dans les microglies (vert).
Nous sommes fortement impliqués dans la préparation de nanocristaux inorganiques pour la bio-imagerie utilisant la photoluminescence dans les applications proche infrarouge et nanothermométrie.
Nous avons développé, par voie solvothermale assistée par micro-ondes, des nanocristaux d’iodate (tels que α-La (IO3)3 dopés avec Yb3+ et Er3+), qui présentent à la fois un signal ONL efficace et une photoluminescence sous une seule longueur d’onde d’excitation (Coll. SYMME Annecy), ouvrant la voie à de nouvelles nanosondes multifonctionnelles pour la biophotonique (Inorg. Chem. 2019, 58 p1647 et Cryst. Eng. Comm. 2020, 22 p2517). Parallèlement, nous synthétisons, toujours en utilisant un procédé solvothermal, des nanocristaux d’oxyde de type grenat dopés au Nd3+ (ou co-dopés avec différents ions), présentant une photoluminescence dans le proche infrarouge, c’est-à-dire dans les fenêtres de transparence biologique pour la bio-imagerie in vivo (coll. Univ. Madrid). Les nanocristaux d’iodate et d’oxyde peuvent également trouver des applications pour l’imagerie thermique.
Des nano-iodates dopés Yb, Er sont actuellement étudiés pour des mesures de température in vitro dans les neurones (coll. Cécile Delacour, Valérie Reita), dans le but de surveiller les faibles variations de température (0,2 K) au niveau de la cellule unique. Ces nanocristaux présentent une sensibilité thermique de 1,2% .K-1 dans la gamme verte, en mesurant les niveaux (4S3/2, 2H11/2) → 4I15/2 de Er3+, même en présence de neurones.
Les nanocristaux de type grenat dopés au Nd3+ (YAG et Gd3Sc2Al3O12) ont un potentiel élevé en tant que nanothermomètres dans la plage de température physiologique (20-50°C), grâce à des sous-niveaux couplés thermiquement de transition électronique 4F3/2 → 4I9/2 de Nd3+. En effet, nous avons enregistré une sensibilité thermique plus élevée (0,20% K-1) par rapport à celle des nanoparticules YAG dopées Nd3+, en raison de la différence de champ cristallin des matrices hôtes (PCCP 2019 p11132; coll. INRS-Montréal). D’autres matrices d’oxyde, ou borates, sont actuellement étudiées dans ce domaine de la nanothermométrie en collaboration avec le professeur Lauro Maia (Univ. Goias, Brésil).
(a) Image TEM à basse température de nanocristaux de Yb, α-La(IO3)3 dopés Er. Dans l’insert, la distribution de taille DLS dans l’éthylène glycol. (b) Image optique de neurones avec des nanocristaux de α-La(IO3)3 (barre d’échelle: 2 µm). Dans l’ensemble, spectre d’émission de nanocristaux Yb, α-La(IO3)3 dopés Er.
Des nanoparticules mésoporeuses de SiO2 et cœur-coquille Au@SiO2 sont en cours de développement pour l’encapsulation et la libération de protéines. Les nanoparticules Au@SiO2 devraient servir d’outils d’administration des enzymes de réparation de l’ADN pour le traitement précoce du cancer (financement IDEX, Coll. S Aldabe Bilmes, Univ Buenos Aires et Y Roupioz, SyMMES Grenoble), tandis que les nanoparticules de silice mésoporeuses à gros pores fonctionnalisées avec des aptamères ADN sont en cours de développement pour la délivrance de peptides antimicrobiens pour lutter contre les bactéries multi-résistantes (coll. F Oukacine DPM Grenoble).
Nous avons évalué le potentiel des films de graphène sur polymère pour des applications biomédicales et bioélectriques. Ceci a conduit à la réalisation de plusieurs prototypes de « pansements intelligents » aux perspectives prometteuses pour la cicatrisation des plaies. L’intérêt marqué de la communauté médicale a motivé la création de «Grapheal», une société hébergée par l’Institut Néel, qui vise à développer une gamme de dispositifs médicaux combinant l’électronique embarquée et la technologie du graphène afin d’atteindre le marché des soins avancés des plaies.
BioFab est une plateforme technologique dédiée à la mesure, l’observation, la manipulation et la culture d’objets biologiques. Elle est principalement équipée de calorimètres, d’une pince optique, de microscopes épifluorescents, de stations électroniques dédiées à l’électrophysiologie, des dispositifs microfluidiques et d’une salle de culture (classe P2).
En microscopie électronique en transmission, l’Institut Néel collabore ponctuellement avec les laboratoires de biologie de Grenoble: expériences cryogéniques réalisées à l’IBS sur des échantillons de l’Institut Néel, expériences de microanalyse réalisées à l’Institut Néel sur des échantillons biologiques d’ISTerre. Depuis plusieurs années, les microscopistes de l’Institut Néel développent des techniques d’observation en mode faible dose, destinées aux échantillons fragiles.
La microscopie électronique à balayage à émission de champ (FESEM) permet d’observer des micro et nano objets avec une résolution spatiale d’environ un ou quelques nanomètres selon leur nature. En utilisant une irradiation à très basse tension, les dommages peuvent être limités et il est possible d’observer des cellules ou des brins d’ADN tissé.
Parfois, il est nécessaire de réaliser un film mince conducteur (environ 1 nm) pour limiter les effets de charges par dépôt physique en phase vapeur (pulvérisation cathodique). La FESEM de l’Institut Néel travaille dans une plage de 100 V à 30 kV (résolution spatiale: 1 nm à 15 kV et 1,7 nm à 1 kV. Les couches minces peuvent être réalisées à partir de 1 nm avec de l’or, du platine, de l’aluminium, du carbone ou ITO (In2-xSnxO3).
Depuis 2015, l’Institut Néel est membre du LANEF, Laboratoire d’Excellence de Grenoble soutenant des projets autour des nanosciences et de l’énergie. En particulier, une branche du LANEF est dédiée aux nanocapteurs et nanomatériaux pour la santé et la biologie. Au-delà du soutien financier aux doctorants, certains ateliers thématiques sont également organisés dans le cadre du LANEF pour favoriser les échanges et la mise en réseau entre les laboratoires membres.
La SATT Linksium a accompagné plusieurs projets liés à la biologie de l’Institut Néel à travers la maturation, l’incubation et la création d’entreprise. Parmi eux, Grapheal (bandages intelligents à base de graphène), Pumag (champs magnétiques pulsés) et Pumpit (micropompes magnétiques).