Des chercheurs japonais ont mis au point une nouvelle technique d’imagerie microscopique permettant de visualiser les réactions chimiques liées aux champs magnétiques à l’intérieur des cellules, une dimension jusqu’ici inaccessible aux approches biomoléculaires standards. Une combinaison d’impulsions lumineuses et d’impulsions magnétiques a été utilisée pour observer ces réactions dites « dépendantes du spin » et permettrait de mesurer avec une grande précision les durées de vie des réactions ainsi que les réponses magnétiques de chaque molécule.
La chimie dépendante du spin constitue un sous-domaine émergent, à l’interface de la cinétique chimique, de la photochimie, de la résonance magnétique et de la chimie des radicaux libres. Elle s’intéresse, de manière générale, aux effets des champs magnétiques et du spin dans les réactions chimiques.
Le rôle des paires de radicaux à spin corrélé est de plus en plus étudié en biologie, notamment pour leur implication dans les effets des champs magnétiques faibles. Ces paires agissent comme des intermédiaires réactionnels dans lesquels deux électrons non appariés conservent une corrélation de spin — une dépendance mutuelle de leurs orientations — sensible à de faibles champs magnétiques.
La dynamique des paires de radicaux traduit ainsi la manière dont les champs magnétiques peuvent influer sur les réactions chimiques en modulant les mouvements du spin électronique. Ce processus est notamment impliqué dans la magnétoréception chez les oiseaux, ainsi que, de façon encore exploratoire, dans certains mécanismes intracellulaires, suggérant de potentielles applications biomédicales.
Si la microscopie par fluorescence offre une résolution suffisante pour étudier les effets des champs magnétiques sur les réactions de paires de radicaux dans les cellules vivantes, ses limites tiennent moins à la résolution qu’à la nature du signal : la plupart des paires de radicaux biologiquement pertinentes étant non émissives, leur dynamique échappe à l’observation directe. En d’autres termes, ces espèces, généralement non fluorescentes, ne peuvent être visualisées par les techniques classiques.
Des chercheurs de l’Université de Tokyo proposent une nouvelle approche de microscopie susceptible de lever ces obstacles et d’observer directement les réactions chimiques dépendantes du spin au sein des cellules biologiques. Les résultats de l’étude sont publiés Journal of the American Chemical Society.
Résumé graphique de l’étude. © Noboru Ikeya et al.
Une observation spécifique à la chimie du spin
La technique développée par l’équipe japonaise repose sur deux impulsions lumineuses synchronisées avec précision avec une impulsion magnétique de l’ordre de la nanoseconde. Baptisée microscopie de fluorescence pompe-champ-sonde, cette méthode consiste à comparer les signaux liés à l’inversion du champ magnétique — c’est-à-dire à un changement de sa polarité — à différents instants, afin d’identifier et d’isoler la composante dépendante du spin dans la réaction chimique.
Les chercheurs ont comparé cette approche à une technique de microscopie fondée sur la flavine. Largement utilisée en fluorescence, cette molécule, cofacteur naturel, émet une autofluorescence jaune-vert lorsqu’elle est excitée par la lumière et peut ainsi servir d’indicateur de l’activité métabolique des cellules.
« Nous introduisons deux nouvelles techniques de microscopie : la fluorescence pompe-sonde monocolore (PP) et la fluorescence pompe-champ-sonde (PFP) », expliquent les chercheurs dans leur étude. « Nous établissons ici un cadre mathématique reliant les signaux PP et PFP à la cinétique des paires de radicaux et à l’évolution du spin dépendante du champ magnétique, et nous le validons par des expériences sur une photochimie sensible au champ magnétique, basée sur la flavine et bien caractérisée, dans des conditions similaires à celles des cellules ».
En y appliquant des champs magnétiques pulsés, la plateforme module les états de spin des molécules impliquées dans les réactions chimiques au sein de la cellule et met en évidence de subtiles variations de fluorescence, spécifiquement liées à la chimie du spin.
Les résultats montrent que la plateforme permet de mesurer les durées de vie des réactions et les réponses magnétiques avec une grande précision, même avec des paramètres d’excitation doux comparables aux conditions cellulaires. « Le système s’est avéré capable de détecter de très faibles variations de signal dans des conditions pratiques d’acquisition d’une seule mesure par image, minimisant ainsi les dommages, ce qui constitue une amélioration notable pour les futures études sur cellules vivantes », indique l’équipe dans un communiqué de l’Université de Tokyo.
Selon les chercheurs, cette plateforme pourrait contribuer à des avancées en biologie quantique et contribuer aussi au développement de techniques de diagnostic non invasives fondées sur la sensibilité moléculaire au spin. La prochaine étape consistera à étendre cette approche à des environnements biologiques plus complexes et à optimiser les protocoles afin d’isoler les différentes voies réactionnelles.
