Physique des molécules isolées

Colloque organisé par Guy Ourisson du 12 au 18 avril 2002.

Participants

Robert Best (Cambridge University, Royaume-Uni), Fabienne Bonfils (Académie des Sciences, Paris), Xavier Bouju (CNRS, Université de Franche-Comté, Besançon), Fabrice Charra (CЕА/Saclay, Gif-sur-Yvette), Maxime Dahan (École Normale Supérieure, Paris), Jaerg Enderlein (Institute for Biological Information Processing, Julich, Allemagne), Wilfried Grange (University of Basel, Suisse), Hervé Isambert (LDFC, Institut de Physique, Strasbourg), Matthieu Jamet (Max Planck Institut, Halle, Allemagne), Juergen Кaehler (Universitaet Bayreuth, Allemagne), Brahim Lounis (CNRS, Université Bordeaux I, Talence), Andrew Mayne (Université Paris Sud, Orsay), Michel Orrit (Universiteit Leiden, Pays-Bas), Guy Ourisson (Centre de neurochimie, Strasbourg), Hervé Rigneault (Institut Fresnel, Marseille), Jean-François Roch (École Normale Supérieure, Cachan), Vahid Sandoghdar (Laboratorium fir Physikalische Chemie, Zurich, Suisse), Markus Sauer (Universitaet Heidelberg, Allemagne), Ulrich Sсhollwœck (Max Planck Institut, Stuttgart, Allemagne), Petra Sсhwille (Max Planck Institut, Geettingen, Allemagne), Andreas Zumbusch (Universitaet Muenchen, Allemagne)

Introduction

On est certain depuis la fin du XIXe siècle de l’existence de molécules. Une immense variété de travaux a permis de préciser la forme, les dimen­sions, les transformations de ces constituants élémentaires de la matière, qu’elle soit solide, liquide ou gazeuse.

Pourtant, jusqu’aux dernières décennies du XXe siècle, il s’agissait de conclusions d’études indirectes, formant un tout tellement cohérent qu’il ne laissait aucune place au doute, mais ne permettant pas de « voir » des molécules individuelles (les structures et les dimensions étaient déduites des mesures faites sur des ensembles ordonnés, notamment des cristaux), ni a fortiori d’étudier directement leurs propriétés individuelles, mais seu­lement les propriétés de la matière qu’elles constituent.

La situation a complètement changé depuis une vingtaine d’années, avec l’invention de méthodes permettant l’étude de molécules isolées. Ceux qui ont vécu la publication des premières photographies de Binnig et Rohrer montrant l’arrangement hexagonal régulier des atomes de car­bone d’un hydrocarbure aromatique sur une surface de graphite se sou­viennent de leur émoi : le mot n’est pas trop fort, puisqu’il s’agissait de la démonstration de l’exactitude de déductions centenaires, représentant une extraordinaire conquête intellectuelle. Les centaines de dessins de molécules, à l’échelle, présentés dans les livres et les cours de chimie struc­turale, étaient donc « vrais »!

En fait, les méthodes, maintenant nombreuses, permettant l’observa­tion et l’étude de molécules isolées sont, elles aussi, des méthodes indi­rectes fondées sur l’utilisation de phénomènes physiques originaux et sur leur interprétation intelligente. Mais cette interprétation est infiniment plus directe que l’utilisation de la radiocristallographie ou des mesures des propriétés mécaniques de films mono-moléculaires sur une surface d’eau.

Le transfert aux déductions structurales des propriétés observées est plu­tôt de même nature que celui qui, du temps de Galilée, fut nécessaire pour comprendre que le renversement des images par rapport à la réalité, dans la lunette qui venait d’être inventée, permettait « quand même » des déductions intuitives immédiates.

En une vingtaine d’années se sont développées de nombreuses métho­des d’étude, dont l’efficacité, certes essentiellement due à l’imagination des physiciens, a été fécondée par leurs applications à des problèmes très variés de chimie ou de biologie structurale. Qu’il s’agisse de l’observation in situ de processus catalytiques sur une surface métallique, de la mesure des propriétés mécaniques d’un segment isolé d’acide nucléique, de l’étude en temps réel de la déstructuration d’une protéine soumise à une élongation forcée, de l’observation de molécules isolées de fullerènes C60 et C70 enfermées dans un nanotube de carbone, de nano-manipulations d’atomes pour « écrire » un message composé de quelques atomes sur une surface métallique, le domaine d’application s’ouvre chaque jour vers de nouveaux horizons.

La réunion qui s’est tenue en avril 2002 aux Treilles avait plusieurs objectifs, scientifiques et politiques.

Sur le plan scientifique, en réunissant dans les conditions particuliè­rement favorables des Treilles une vingtaine de jeunes scientifiques européens choisis parmi les meilleurs dans ce domaine, elle devait permettre de faire le point sur les progrès réalisés et en cours de réalisation. Elle fai­sait suite à une réunion plus formelle et plus classique, organisée à Wittenberg en 2001 par les académies Léopoldine et Berlin‑Brandebourg, réunion à laquelle nous avions pu envoyer une délégation de onze scientifiques français, ceux qui sont venus aux Treilles cette année.

Les thèmes abordés ont été nombreux et variés, comme le montrera la lecture du rapport scientifique qui suit. Ce programme comportait d’ailleurs une innovation : une série d’ateliers dont le thème était présenté par un des participants, mais où l’élément essentiel était constitué par des discussions totalement libres, parfois un peu anarchiques certes, mêlant les informations et les interrogations, et toujours très intéressantes. Selon le thème de l’atelier, les intervenants les plus actifs différaient, si bien que tous ont pu contribuer personnellement aux débats.

Conférences et ateliers ont beaucoup intéressé les participants : pour une fois, ils ont eu la possibilité d’aller « au bout des choses », et de confronter en toute liberté leurs problèmes, leurs objectifs et leurs ambi­tions scientifiques.

Sur le plan politique, la réunion obéissait aux critères définis pour les réunions Scientia Еuropea de l’Académie des sciences :

• nombre de participants limité permettant des échanges informels effi­caces;
• limitation de l’âge à 40 ans environ, pour permettre la poursuite pen­dant une trentaine d’années des collaborations éventuellement initiées sur place ;
• limitation à des participations européennes (les Français et Allemands, majoritaires, étaient accompagnés de quelques Britanniques et Suisses) ;
• caractère interdisciplinaire (malgré l’intitulé !).

C’est donc à juste titre que nous considérons cette réunion comme la « réunion Scientia Europea n° 8 ».

Toujours sur le plan politique, la réunion renforçait les collabora­tions multiformes que notre Académie a entreprises avec les académies allemandes, les deux plus anciennes, notamment avec l’Académie Léopoldine et celle de Berlin-Brandebourg. Le choix des participants alle­mands avait été fait en particulier en consultant la Junge Akademie, éma­nation juvénile des deux Académies mentionnées, dont le président actuel était présent. Ce sera un objectif intéressant pour les prochaines années que de voir si notre Académie peut contribuer à rapprocher la Junge Akаdemie de l’institution française qui s’en rapproche le plus: l’Institut universitaire de France (par ses membres juniors).

Sur le plan politique également, il n’est pas indifférent que nous ayons pu révéler à nos visiteurs étrangers la qualité des services rendus à la communauté scientifique par la Fondation des Treilles — qualité qui a tout autant frappé et ravi les participants français. Tous ont unanimement exprimé leur opinion que cette réunion avait été la meilleure, la plus utile pour eux ainsi que la plus agréable, de toutes celles auxquelles ils avaient participé jusqu’ici (et les difficultés que nous avons rencontrées pour trouver une date compatible avec leurs autres obligations ont démontré qu’ils participaient à beaucoup de réunions scientifiques !). Enfin, c’est un grand plaisir de voir combien ils ont apprécié l’efficacité et la cordialité de l’action de la cellule Colloque de l’Académie des sciences et du secrétariat de la Fondation des Treilles.

Analyse scientifique

Une introduction générale à la physique des molécules isolées a été présentée par Michel Orrit, qui vient de quitter l’université de Bordeaux pour celle de Leiden (Pays-Bas). Il a montré comment l’étude de molé­cules isolées, en éliminant les effets moyennant qu’introduisent la multi­plicité des acteurs et le temps, permet une étude fine des comportements complexes des molécules, et de leurs interactions. Les domaines intéres­sés vont de l’optique quantique et de l’électronique à la biochimie molé­culaire. Ils comprennent des thèmes très « chauds » comme les nanos­ciences ou la dynamique des protéines. Le défi est d’adapter à chaque problème les techniques utilisées pour l’étude de molécules isolées, méthodes optiques, mécaniques ou électriques, et de mettre à profit leur sensibilité inouïe pour étudier des problèmes réels, qu’il n’était pas possi­ble auparavant d’aborder. Les méthodes optiques sont les plus couramment utilisées, mais elles ne sont pas les seules existantes, et le domaine a connu une floraison d’études originales et impressionnantes.

A — Molécules isolées et physique fondamentale

Avant l’introduction des techniques utilisant les molécules isolées, les méthodes classiques étudiaient des ensembles de milliards de molécules, et avaient toutes un caractère statistique. L’étude physique fondamentale de molécules isolées et de nano-objets est bien mieux adaptée à l’expéri­mentation et à sa confrontation avec la théorie. Deux des ateliers ont été consacrés à ces études ; leur conclusion évidente est que beaucoup de tra­vail reste à faire, et que, comme l’avait dit en 1953 un des prophètes de la physique moderne, R. P. Feynmann, « i1 y a encore beaucoup de place vers le bas ».

A-1 — Optique quantique avec des nano-objets isolés

L’interaction d’une molécule isolée avec le champ d’un laser rend pos­sible de contrôler celui-ci. Brahim Lounis et Jean-François Roch ont proposé d’utiliser des molécules isolées comme sources pour émettre des photons isolés. Si le champ est celui d’une cavité électromagnétique, on peut contrôler l’émission spontanée, ou l’exalter, pour en améliorer les caractéristiques que l’on juge utiles, comme l’a montré Hervé Rigneault. Les interactions fondamentales d’un dipôle ponctuel avec les champs optiques proches et lointains ont été clairement passées en revue et résu­mées par Joerg Enderlein. Dans l’atelier « Optique quantique avec des molécules isolées », animé par Brahim Lounis, ces idées ont été discu­tées plus à fond. Parmi les questions abordées, on peut mentionner l’a­mélioration éventuelle de cavités et d’émetteurs afin de développer des sources efficaces pour la communication et le calcul quantiques, ou l’uti­lisation de matériaux à sauts de bandes et d’autres cavités pour améliorer les propriétés émissives d’objets isolés.

A-2 — Molécules isolées en interaction

Dans la plupart des expériences réalisées jusqu’ici avec des molécules isolées, la distance entre les molécules était trop grande pour qu’elles interagissent. Deux exceptions ont été discutées pendant le symposium.

L’exposé de Juergen Kohler a décrit les interactions résonantes exis­tant entre les molécules de bactériochlorophyllе dans un système pro­téique bactérien en anneau. À basse température, une forte interaction par exciton provoque la délocalisation complète des dix-huit molécules. Vahid Sandoghbar a décrit les observations récentes faites sur un nano-cristal comprenant deux molécules proches. Il a observé des effets nou­veaux et fascinants lors d’une interaction entre ces molécules et un laser de forte intensité, comme l’excitation simultanée des deux molécules par un processus à deux photons. L’atelier animé par Juergen Kohler a passé en revue les phénomènes variés que l’on peut attendre quand des molé­cules sont suffisamment proches pour interagir : transfert résonant d’é­nergie, interactions excitoniques, interactions spécifiques, etc.

B — Microscopies à champ proche

La petite taille des molécules rend possible leur étude par microscopie par sonde à balayage, ou leur utilisation comme sonde pour les micro­scopies à champ proche. Les difficultés rencontrées sont d’odre tech­nique : il est difficile de contrôler la qualité des têtes des sondes, et les matériaux utilisés à l’échelle nanométrique. Ces dernières années ont cependant été obtenus, dans plusieurs domaines, des progrès fantas­tiques, qui ont été passés en revue dans trois ateliers sur l’étude optique de molécules isolées.

B-I — Étude de molécules isolées avec une sonde STM

Fabrice Chara et Andrew Mayne ont présenté les très beaux résultats qu’ils ont obtenus. La théorie de l’observation et de la manipulation de molécules isolées a été discutée par Xavier Bouju et Ulrich Schollwöck. L’atelier portant sur les molécules isolées étudiées sous une pointe STM, mené par Fabrice Charra, a révélé les phénomènes riches et complexes que provoquent les interactions entre la molécule, la tête de lecture, et les intenses courants de tunnel.

B-2 – Mesure de force sur des molécules isolées

Trois exposés ont couvert les méthodes utilisées pour mesurer les for­ces minuscules exercées par des molécules isolées. Robert Best a présenté le microscope à force atomique et son utilisation pour observer le dépliement de protéines (spontané ou forcé) et leur repliement. Wilfried Grange a discuté l’utilisation de pièges et de pincettes optiques, et Hervé Isambert a présenté les modèles théoriques relatifs à la dynamique de repliement de l’ARN. L’atelier animé par Wilfried Grange a permis de comparer les différentes méthodes utilisables pour créer les forces néces­saires (magnétiques, optiques, mécaniques) et l’interprétation des mesu­res de force dynamiques pour décrire les « paysages » d’énergie potentielle de biomolécules.

B-3 – Molécules isolées en tant que nano-sondes

Les molécules isolées sont sensibles aux champs optiques proches, y compris aux champs de dipôles à des distances plus courtes que les lon­gueurs d’onde optiques. Vahid Sandoghdar a présenté les premiers résultats, ainsi que ses espoirs dans ce domaine. Joerg Enderlein, lui, a prédit et discuté de nouveaux effets spectaculaires résultant de l’exaltation en champ proche de plasmons de surface dans des couches métalliques minces ; il a proposé d’utiliser le couplage exalté de molécules avec la radiation pour créer de nouveaux marquages optiques. Un atelier animé par Vahid Sandoghbar a exploré l’utilisation de molécules isolées comme sources et comme détecteurs en optique à champ proche.

C – Nouveaux nano-objets

Les molécules ne sont pas les seuls nano-objets utilisables pour des expériences optiques, mécaniques, électriques et magnétiques sur des systèmes isolés. Des nanocristaux semi-conducteurs ont récemment beau­coup attiré l’attention par leur intérêt potentiel en biologie. D’autres nano-objets comprennent des clusters magnétiques et des nano-particules de métaux, décrits dans les exposés de Matthieu Jarret et Brahim Lourais.

C-1 – Nanocristaux semi-conducteurs

Maxime Dahan a passé en revue les avantages potentiels de nanocris­taux semi-conducteurs pour réaliser des marquages en biologie. Ces avan­tages incluent le fait qu’une excitation unique par laser peut conduire à un grand nombre de longueurs d’onde d’émission, que la durabilité pourrait surpasser celle des fluorophores organiques, et que les temps de photolu­minescence pourraient être plus longs. La conjugaison de nanocristaux et de biomoléсulеs est un problème difficile, mais qu’étudient plusieurs groupes de chimistes. Au cours de l’atelier sur les nanocristaux, Maxime Dahan a discuté l’émission discontinue de nano-cristaux isolés. Le phé­nomène est maintenant mieux compris mais, bien que le rôle de la photo-ionisation soit généralement accepté, l’étudе physique de ces discontinui­tés reste encore superficielle. Comme de telles discontinuités sont observées avec différentes classes de nano-objets (molécules, nanocris­taux, particules métalliques…), on est en droit de se demander s’il n’y a pas à rechercher un mécanisme unique pour ces observations isolées.

C-2 – Objets magnétiques

Les méthodes modernes de micro-squid rendent possible l’étude d’un très petit nombre de particules magnétiques, voire d’une seule. Matthieu Jarret a présenté une mise au point exhaustive des résultats récents obte­nus dans ce domaine. Il a en particulier mis en relief le potentiel enthou­siasmant que présentent des sondes proches pour l’étude du magnétisme avec des microscopes à force magnétique ou des sondes spectroscopiques.

D – Applications en biophysique

D-1 – Fluorescence de molécules isolées et applications en biophysique

Plusieurs des participants ont présenté les résultats d’études de molé­cules isolées comme constituants ou comme marqueurs de systèmes bio­logiques. Outre le complexe antennaire étudié par Juergen Köhler, Maxime Dahan et Brahim Lounis, des marquages optiques ont été uti­lisés pour étudier in vivo la diffusion de neurorécepteurs dans les mem­branes et les synapses de neurones. Petra Schwille, Нervé Rigneault et Andreas Zumbusch ont présenté les applications spectaculaires de la méthode de corrélation de fluorescence (FCS) dans des solutions et dans des cellules vivantes. Cette méthode FCS est moins sensible au photo-b eaching que le repérage de molécules isolées. Markus Sauer a proposé des applications potentielles des méthodes de molécules isolées en science biomoléculaire fondamentale. Andreas Zumbusch a mené un atelier consacré à la comparaison de l’applicabilité des différentes méthodes à divers problèmes de biophysique.

D-2 – Molécules isolées et biotechnologie

Un second atelier, animé par Markus Sauer, a été consacré à des applications concrètes de la science des molécules isolées en biologie et en médecine. Il a présenté des résultats prometteurs pour la détection de cancers par la détection de protéines p53 isolées.

Conclusion

Le dynamisme et l’enthousiasme des participants ont montré à quel point le domaine des molécules isolées demeure actif, mais aussi combien sont limitées nos connaissances et immense le domaine à étudier. Les organisateurs espèrent que les contacts pris au cours de ce symposium permettront de renforcer les collaborations existant en Europe dans ce domaine.

 

 

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