Un laser réalisé avec une unique cellule vivante d’origine humaine !

Des chercheurs du Wellman Center for Photomedicine de Boston aux Etats-Unis ont réussi en utilisant comme milieu actif une seule cellule animale vivante à fabriquer un laser émettant dans le vert.


On sait que jusqu’ici (voir l’article récent «Le laser a plus de cinquante ans ») les milieux actifs des lasers ont été des solides, des gaz ou des liquides. Ici c’est une protéine animale, la protéine fluorescente verte dite en abrégé GFP(de l’anglais Green Fluorescent Protein) qui a été utilisée.

La protéine GFP émet une fluorescence de couleur verte sous l’effet d’une lumière bleue. Elle a été découverte dans une méduse (Aequorea victoria) de l’océan Pacifique. Le gène qui code la synthèse de cette protéine peut être introduit et s’exprimer (faire produire la protéine) dans des cellules de bactéries, de levures et champignons, de poissons, de plantes, et de mammifères. D’où son usage important en biologie comme source  de marqueurs biologiques sélectifs et de bio-senseurs.

Ces chercheurs ont transféré le gène exprimant la protéine GFP dans des cellules provenant d’une souche humaine d’embryon de rein. Ils ont ensuite placé une de ces cellules entre deux plaques réflectrices (Réflecteurs de Bragg) espacées de 20 micromètres placées sur la platine d’un microscope. On envoie à travers le microscope des impulsions de lumière bleue (465 nm) pour « pomper » le laser. L’émission laser dans le vert due à la cellule ainsi excitée peut être observée à travers le même microscope.

On voit sur la figure ci-dessus une cellule vivante exprimant la protéine GFP placée entre deux réflecteurs de Bragg espacés de d= 20 micromètres. Crédit Nature Photonics.

 

Un réflecteur de Bragg est un réflecteur constitué de plusieurs couches (d’épaisseurs calculées) de deux matériaux d’indices différents. Pour une longueur d’onde donnée, il se produit des interférences qui conduisent à une réflectivité très élevée.

Vue des détails de la lumière émise par le laser constitué par une seule cellule. Elle est superposée à une image de la cellule en noir et blanc.  Crédit Nature Photonics.

Spectre d’émission du même laser. On remarque le pic intense à518,92 nanomètres au dessus du bruit. Crédit Nature Photonics.

 

Aequorea victoria
La méduse Aequarea victoria, à l’origine de la découverte de la protéine FGP.
Crédit Markus Nolf, www.thinkoholic.com

Les protéines fluorescentes, progrès décisif pour la microscopie optique en biologie

Les protéines fluorescentes constituent donc un moyen unique de générer de la lumière laser à partir d’organismes vivants et à l’intérieur de ceux-ci. A la différence de tous les matériaux laser connus jusqu’ici, elles peuvent être produites par des procédés biologiques et sont biocompatibles et bio-absorbables. On peut donc penser utiliser cette émission laser in vivo pour une exploration intracellulaire. L’émission stimulée peut permettre d’augmenter la résolution des images microscopiques nécessaires à la recherche biomédicale. Enfin, les chercheurs font remarquer que leur observation d’un laser à une seule cellule prouve que la diffusion et la perte par absorption inhérentes aux échantillons biologiques peut être compensée par l’émission stimulée. On peut imaginer que l’observation in vivo va être ainsi révolutionnée par l’utilisation de l’amplification optique laser. Celle-ci fournirait à la microscopie optique un moyen de surmonter la pénétration limitée de la lumière dans les matériaux biologiques.

En savoir plus :

Single-cell biological lasers,   Malte C. Gather    & Seok Hyun Yun

Nature Photonics : 12 JUNE 2011 | DOI: 10.1038/NPHOTON.2011.99