Si les humains pouvaient utiliser la vision par rayons X pour observer les premiers processus cellulaires de la maladie d'Alzheimer, ils verraient un brin de protéine quelque part dans le cerveau se nouer en un nœud difforme.
Ce macramé microscopique, connu sous le nom de mauvais repliement des protéines, est normal dans la biologie humaine. Cependant, lorsque le mécanisme du corps pour éliminer ces protéines mal repliées échoue, le résultat peut conduire à des maladies neurodégénératives telles que la maladie d'Alzheimer, la maladie de Parkinson et la maladie de Huntington.
Pourquoi exactement les protéines se replient mal et pourquoi le corps échoue parfois à les éliminer, c'est l'une des raisons pour lesquelles les chercheurs de la Pritzker School of Molecular Engineering (PME) de l'Université de Chicago développent certains des capteurs biologiques les plus avancés au monde.
Peter Maurer, professeur adjoint d'ingénierie moléculaire, crée des capteurs quantiques de nouvelle génération qui ouvriront de nouvelles portes dans la recherche biologique et médicale.
Construits à partir de diamants et alimentés par la physique quantique, les nanocapteurs de Maurer pourront mesurer les champs magnétiques et électriques, le temps, la température et la pression à l'intérieur d'une cellule vivante. Et bien que ses recherches en soient encore à leurs débuts, elles ont un potentiel considérable en médecine et au-delà.
Les capteurs quantiques peuvent effectuer des mesures de processus biologiques qui ne sont pas accessibles par les technologies actuelles ou détecter des maladies avant qu'elles ne se manifestent cliniquement. Cette technologie a le potentiel d'élargir la recherche en biophysique et en biologie moléculaire », a déclaré Maurer. « Cela nous aidera à comprendre les processus que nous ne pouvons pas voir avec les méthodes conventionnelles. Ensuite, lorsqu'il sera adapté en milieu clinique, vous verrez de nouveaux processus de dépistage incroyablement efficaces pour les maladies - des tests pour des maladies que nous ne pouvons pas actuellement tester.
Comprendre les choses
Pour comprendre ce travail, il est utile d'en savoir un peu plus sur la mécanique quantique, explique Maurer.
"La mécanique quantique est cette grande théorie qui explique le monde dans presque son intégralité pour autant que nous le sachions", a déclaré Maurer. « Cela explique comment les atomes se tiennent ensemble et ce qui déclenche les réactions chimiques, ce qui peut expliquer la biologie et le fonctionnement des cellules. Dans un certain sens, la mécanique quantique est la théorie la plus fondamentale du monde que nous avons maintenant. »
La mécanique quantique contient également certains des principes les plus contre-intuitifs de la science, comme la superposition et l'effet tunnel quantique. Au fil des ans, des ingénieurs comme Maurer ont découvert des moyens d'appliquer ces principes au développement de technologies qui transforment l'industrie.
Les horloges atomiques, qui peuvent garder l'heure avec précision dans les 100 ms sur 15 milliards d'années, sont considérées comme une forme précoce de détection quantique. Depuis leur création, ils sont devenus l'épine dorsale de plusieurs technologies sophistiquées, comme le GPS et la communication par satellite moderne. De la même manière que les horloges atomiques ont transformé la mesure du temps, des ingénieurs comme Maurer espèrent transformer la mesure de nombreux autres phénomènes.
Un diamant brut
L'une des applications poursuivies par Maurer depuis ses années postdoctorales est l'étude de la température dans les cellules. Les systèmes quantiques sont extrêmement sensibles aux changements de température. Les ordinateurs quantiques, par exemple, doivent être stockés à un niveau proche du zéro absolu pour fonctionner, ce qui nécessite des réfrigérateurs de la taille d'une personne. Cette sensibilité, un obstacle à l'informatique quantique, peut fournir des informations très détaillées lorsqu'elle est appliquée à la détection.
À partir de cette compréhension, Maurer a développé des capteurs suffisamment petits pour être insérés dans la biologie vivante. Pour ce faire, il utilise des diamants de laboratoire conçus avec un défaut spécifique en leur centre : ce qu'on appelle un centre de lacune d'azote (NV). Cette faille, du fait de sa structure, possède une propriété quantique appelée spin. Les chercheurs peuvent utiliser un rayonnement électromagnétique pour modifier la rotation à l'intérieur du diamant, comme déplacer une aiguille de boussole avec un aimant. En associant cela à d'autres outils, les chercheurs peuvent détecter diverses forces, telles que les champs magnétiques et électriques, la pression et la température.
L'avantage de l'approche de Maurer est qu'il peut "alimenter" l'un de ces nanocapteurs à une cellule vivante par un processus appelé endocytose. Une fois à l'intérieur de la cellule, le capteur de Maurer peut surveiller la température sans perturber les fonctions normales de la cellule, réchauffer les pièces et mesurer la réponse.
Comprendre la température dans les cellules est crucial car de nombreuses réactions chimiques sont déclenchées par la chaleur, et à l'occasion, ces réactions peuvent conduire à des résultats indésirables comme des protéines dénaturées ou mal repliées.
Un bond en avant pour la détection
Actuellement, Maurer travaille avec David Pincus, professeur adjoint au Département de génétique moléculaire et de biologie cellulaire de l'Université de Chicago, dans le cadre du Quantum Leap Challenge Institute for Quantum Sensing for Biophysics and Bioengineering (QuBBE) de la National Science Foundation. . Ensemble, ils étudient la réponse au choc thermique, qui est le mécanisme du corps pour filtrer les protéines mal repliées. Leurs recherches pourraient potentiellement débloquer de nouvelles méthodes pour lutter contre le mauvais repliement des protéines et conduire à de nouveaux tests ou traitements pour les maladies neurodégénératives. Pour Maurer, c'est l'occasion d'appliquer ses travaux en ingénierie quantique à un problème qui touche de nombreuses personnes.
"Les capteurs quantiques sont particulièrement attrayants car ils nous permettent de sonder des processus moléculaires et biologiques auxquels nous n'aurions pas accès avec les technologies conventionnelles", a déclaré Maurer. « Grâce à cela, nous pouvons apprendre quelque chose sur le fonctionnement interne de la santé humaine, et c'est quelque chose que notre société peut tirer un bénéfice très direct de la technologie quantique. C'est la capacité d'utiliser cette technologie pour faire quelque chose de significatif.
Les biocapteurs quantiques comme ceux que Maurer développe en sont encore au stade de la preuve de concept, ce qui signifie qu'il faudra peut-être un certain temps avant qu'ils ne fassent leur apparition dans l'espace commercial. Cependant, il prédit que les chercheurs en médecine commenceront à voir leurs avantages dans les 5 à 10 prochaines années.
