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Le microscope à force atomique, cet outil qui touche les cellules… et le cœur des chercheurs

Le microscope à force atomique touche les échantillons pour en déterminer les caractéristiques. Auteurs, Fourni par l'auteur

Cet article est publié dans le cadre de la Fête de la science, qui a lieu du 1er au 11 octobre 2021 en métropole et du 5 au 15 novembre 2021 en outre-mer et à l’international, et dont The Conversation France est partenaire. Cette nouvelle édition a pour thème : « Eureka ! L’émotion de la découverte ». Retrouvez tous les événements de votre région sur le site Fetedelascience.fr.


Un de nos principaux outils de recherche est un microscope un peu particulier, appelé « microscope à force atomique » ou AFM (pour « atomic force microscope »). C’est notre outil fétiche dans notre laboratoire de biophysique.

Les microscopes, rappelons-le, servent à observer des objets microscopiques, c’est-à-dire dont la taille ne se mesure pas en millimètres mais en micromètres (unité 1 000 fois plus petite). Ces éléments, tels que les cellules ou les bactéries, sont plus petits qu’un cheveu et ne peuvent pas être vus à l’œil nu.

Les premiers microscopes qui ont été utilisés par les scientifiques sont les microscopes optiques qui utilisent la lumière « pour voir » (comme nos yeux). Leur résolution est toutefois limitée par la longueur d’onde de la lumière : le « pinceau de lumière » ne permet pas de distinguer les plus petits objets ou les détails nanoscopiques (le nanomètre étant une unité 1000 fois plus petite qu’un micromètre), comme les virus ou les protéines, les éléments constitutifs des organismes vivants.

Pour observer ces détails, des microscopes « aveugles » sont apparus : c’est le cas de l’AFM. Pour sonder nos échantillons, l’AFM n’utilise pas la lumière mais une fine pointe : c’est comme un tout petit doigt qui nous permet de toucher littéralement les objets. En balayant la surface, il nous permet de reconstruire sa topographie, comme nous le faisons à plus grande échelle avec nos doigts pour reconnaître un objet dans le noir, ou comme le fait une personne aveugle avec sa canne pour marcher dans la rue.


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Vous l’aurez compris, notre microscope permet littéralement de toucher les échantillons… mais aussi nos cœurs de scientifiques pleins d’espoir lorsque nous le manipulons ! Laissez-nous vous expliquer.

Eureka ! La joie de la découverte

L’AFM est né à la fin des années 1980. Il s’agit en fait d’une évolution du microscope à effet tunnel (ou « scanning tunneling microscope », STM) qui a permis pour la première fois de voir directement les atomes – et même de les toucher ! C’était un accomplissement passionnant pour cette équipe qui démontrait ainsi les capacités inédites de leur microscope. Sans application directe en dehors de la science fondamentale, leur invention n’en a pas moins révolutionné la façon dont beaucoup de chercheurs regardent aujourd’hui leurs échantillons.

La pointe AFM, sonde utilisée pour « palper » les échantillons. Wikimedia

Et quelle joie a dû envahir les chercheurs quand ils ont vu apparaître sous leurs yeux l’image d’atomes de silicium ! Des expériences indirectes avaient déjà fourni des informations sur leur arrangement spatial, mais c’est la première fois que des chercheurs pouvaient voir chacun des atomes du réseau, obtenir une mesure de leur taille et même détecter les atomes manquants ou les défauts. Cette joie de la découverte est sans doute l’émotion qui anime les chercheurs : celle qui fait crier « Eureka ! » celle qui allume une petite lumière dans notre tête et nous permet soudain de comprendre quelque chose. Ce sentiment est aussi appelé épiphanie et c’est divin (d’ailleurs, en grec, l’épiphanie désignait une manifestation divine) !

Mais avant d’en arriver à cette joie ultime de la découverte, le chercheur passe par bien d’autres émotions. L’imaginaire populaire voit les scientifiques comme des esprits froids qui envisagent toutes les possibilités à chaque étape pour planifier la prochaine expérience, sans aucune émotion. Rien de plus éloigné de la réalité : l’avancée de la science est la plupart du temps guidée par les émotions, bien avant les applications potentielles ou la reconnaissance de la société ! Dans notre cas, l’exploration que nous permet notre cher microscope est jalonnée par une succession d’émotions.

Préparation d’une expérience : entre espoir et frustration

Préparer le microscope signifie tout d’abord aligner un laser avec la fine pointe que nous utilisons pour sonder l’échantillon.

Ce laser permet de détecter le mouvement de la pointe : il est réfléchi vers un capteur (appelé photodiode) couplé à un système électronique permettant d’ajuster en permanence la position de la pointe afin de suivre la topographie de la surface (c’est-à-dire de relever la pointe lorsqu’une « bosse » est détectée, ou de la faire descendre dans les creux, etc.). L’alignement du laser doit être fait avec attention et peut être assez délicat, il nécessite une certaine concentration… et de la patience.

Imaginez donc la frustration que peut ressentir un AFMiste lorsqu’il est plein d’optimisme quant à l’expérience à réaliser mais bloqué par cette première étape « technique » !

Appréhension et déception face aux aléas de l’expérience

L’échantillon, l’objet à observer, doit par ailleurs être immobilisé sur une surface. Cela peut aussi s’avérer délicat ! Dans notre laboratoire, nous étudions des échantillons biologiques et nous travaillons avec des cellules vivantes. La plupart d’entre elles adhèrent naturellement à la surface : s’il est relativement facile d’obtenir une image par AFM, ce n’est toutefois pas le cas de toutes les cellules.

Nous étudions par exemple des globules blancs ou des cellules tumorales circulantes qui sont en suspension dans le sang et n’adhèrent pas naturellement à une surface. Un problème important dans la vie de tout AFMiste est de déterminer comment immobiliser l’échantillon sur une surface.

Pourquoi ce problème est-il si important ? Rappelons-le, l’AFM scanne l’échantillon en le touchant. Bien que la pointe soit montée sur un levier très flexible qui agit comme un capteur de force et permet d’appliquer les plus petites forces possibles, il arrive que celles-ci soient malgré tout trop puissantes pour certains objets délicats. Nous finissons alors par endommager l’échantillon.

Imaginez nos émotions lorsque nous préparons notre échantillon depuis deux jours, en suivant un protocole qui a mis des semaines à être établi. Nous commençons l’expérience, nous approchons la pointe de l’échantillon avec d’appréhension… et dès le premier contact, les cellules sont arrachées et balayées comme des grains de poussière par un balai. Nous ressentons alors de la déception, du désespoir et de la colère face à la destruction de notre précieux échantillon !

Excitation, persévérance et fierté

Ces sentiments sont à leur tour rapidement balayés par l’espoir apporté par de nouvelles idées, et une excitation accrue à l’idée de réessayer. C’est ainsi que nous continuons…

Et lorsqu’après plusieurs mois à chercher la meilleure stratégie pour préparer notre échantillon, nous obtenons enfin les résultats escomptés, quelle fierté !

L’une de nos expériences consiste à mesurer les capacités d’adhésion et les propriétés mécaniques des cellules. Notre pointe minuscule nous permet d’appliquer des forces sur l’échantillon en poussant, tirant et traînant les objets pour évaluer à quel point ils sont rigides, mous ou collants.

Ainsi, en appuyant notre pointe AFM sur les cellules avec une force contrôlée et en mesurant leur déformation, nous pouvons déterminer leur rigidité. Vous faites exactement la même chose tous les jours pour savoir si une baguette est fraîche : vous appliquez une pression avec vos doigts pour voir à quel point elle se déforme.

À plus petite échelle, la rigidité ou la souplesse d’une cellule peut affecter sa fonction. Prenons l’exemple des cellules pulmonaires : elles sont censées s’étirer pendant l’inspiration et retrouver leur forme initiale lorsque nous expirons. Si une cellule pulmonaire est trop rigide, nous pouvons avoir des difficultés à respirer.

Les surprises de l’analyse : perplexité, inquiétude, excitation

Les propriétés mécaniques des cellules jouent également un rôle dans le cadre du cancer. Les cellules cancéreuses ont subi une série de changements dans leur « identité » et ne se comportent pas comme elles le devraient. On a observé qu’elles sont ainsi plus molles que les cellules normales.

Or les tumeurs sont souvent plus rigides que les tissus normaux : c’est d’ailleurs une caractéristique sur laquelle les médecins s’appuient pour les identifier en effectuant des examens par palpation.

À l’échelle nanométrique, il apparaît pourtant que les cellules tumorales sont plus molles que les cellules normales ! Ce constat contradictoire a été corroboré par d’autres études dans le monde.

Après les montagnes russes émotionnelles de l’expérimentation, l’analyse des résultats peut ainsi, elle aussi, susciter de nombreuses émotions ! Lorsqu’un résultat est surprenant, paradoxal ou contradictoire, nous sommes perplexes, parfois inquiets ou frustrés de ne pas savoir expliquer notre observation.

Cela ouvre toutefois souvent de nouvelles pistes de recherche excitantes. Dans le cas du cancer, cela nous rappelle que les tumeurs ne sont pas constituées uniquement de cellules, mais aussi d’un réseau dense de filaments qu’il ne faut pas négliger car il peut contribuer à la rigidité de la tumeur. La perplexité est donc la plupart du temps source d’admiration et de curiosité.

Pure curiosité

Ces mêmes émotions nous poursuivent lors de la conception d’expériences futures, la rédaction de demandes de subvention ou la réflexion sur les possibilités de « révéler l’invisible » grâce à de nouveaux développements techniques. Et les montagnes russes émotionnelles recommencent !

Notre travail est donc principalement motivé par la curiosité et non par la recherche d’une application : c’est l’esprit même de la science fondamentale. Si des applications peuvent apparaître à plus ou moins long terme, les chercheurs sont essentiellement guidés par l’excitation et la joie de comprendre, émotions modulées par la frustration face aux échecs et l’espoir soulevé par les nouveaux projets, et par de rares moments de froide rationalité.

Intégrer ces émotions à l’équation permet de mieux comprendre l’histoire des sciences.

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