Phonon-limited detection thresholds for genetically encoded fluorescent-protein spin-qubit relaxometry of neural radicals

Le système nerveux repose sur des signaux chimiques minuscules et éphémères pour coordonner la pensée, le mouvement et la mémoire. Parmi les messagers les plus importants figurent l'oxyde nitrique et les espèces réactives de l'oxygène, des molécules qui dérivent entre les cellules pour réguler le flux sanguin, renforcer les connexions entre les neurones et gérer l'énergie cellulaire. Parce que ces signaux sont générés dans des lieux microscopiques spécifiques et disparaissent presque aussi vite qu'ils sont apparus, les mesurer a longtemps été un défi pour les scientifiques. Les outils traditionnels sont soit trop volumineux pour tenir à l'intérieur d'une seule cellule, soit trop grossiers pour distinguer le moment précis de la libération d'un signal. Ils perturbent souvent l'environnement même qu'ils tentent de mesurer, ou ne parviennent pas à détecter directement la nature magnétique de ces molécules radicalaires. Pour comprendre véritablement comment le cerveau fonctionne au niveau moléculaire, les chercheurs ont besoin d'un capteur assez petit pour être intégré à la propre machinerie de la cellule, capable de se tenir juste à côté de la source du signal, et assez sensible pour ressentir le faible murmure magnétique d'une seule molécule passante.

Une étude théorique récente explore si un type spécifique de protéine modifiée peut servir de capteur idéal. Les chercheurs se sont concentrés sur une protéine fluorescente génétiquement encodée, une molécule qui peut être programmée par l'ADN pour se fixer à des enzymes spécifiques à l'intérieur d'une cellule. Cette protéine possède une propriété unique : lorsqu'elle est frappée par une couleur de lumière spécifique, elle entre dans un état spécial où ses électrons agissent comme un minuscule aimant, ou un qubit de spin. Cet état magnétique est sensible à son environnement. Si un radical paramagnétique, tel que l'oxyde nitrique, dérive à proximité, son champ magnétique fluctuant fait que l'horloge interne de la protéine bat plus ou moins vite. En mesurant la vitesse à laquelle cette horloge interne change, les scientifiques pourraient théoriquement calculer la concentration locale de ces molécules de signalisation vitales. L'idée est élégante car le capteur n'est pas un objet étranger introduit dans la cellule ; il fait partie de la cellule elle-même, fusionné génétiquement à l'enzyme même qui produit le signal, plaçant le détecteur à quelques nanomètres de l'action.

Cependant, lorsque les chercheurs ont fait tourner les calculs pour voir si ce concept fonctionne dans le monde réel, ils ont découvert un obstacle de taille. Ils ont développé une théorie détaillée pour prédire les limites de la sensibilité de ce capteur, en tenant compte du bruit de la lumière, de la durée de vie de la protéine et de la physique de l'interaction du capteur avec son environnement. Leurs calculs ont révélé que la version native de cette protéine, telle qu'elle existe aujourd'hui, est bien trop bruyante pour détecter les niveaux physiologiques de radicaux neuronaux. À température ambiante, l'horloge interne du capteur est si instable qu'elle change trop rapidement pour remarquer l'influence subtile d'un radical passant. L'étude montre que le capteur actuel est en deçà de la sensibilité requise d'un facteur de un million à cent millions. Le principal coupable n'est pas la conception du capteur ni les limitations de la lumière utilisée pour le lire, mais la façon dont la protéine elle-même vibre. Les atomes au sein de la protéine s'agitent constamment à cause de la chaleur, et ces vibrations interagissent avec l'état magnétique du capteur, provoquant une perte de cohérence quasi instantanée.

Les chercheurs se sont ensuite posé une question critique : que faudrait-il pour corriger cela ? Ils ont décomposé la physique des vibrations de la protéine et ont découvert que le bruit est dominé par un type d'interaction spécifique impliquant deux vibrations se produisant simultanément. Cette interaction est extrêmement sensible à la rigidité de la structure de la protéine. L'équipe a découvert que si l'environnement entourant le cœur de la protéine pouvait être rendu environ deux fois plus rigide, l'horloge interne du capteur ralentirait suffisamment pour devenir utile. Ce durcissement permettrait au capteur de détecter des concentrations de radicaux dans la gamme micromolaire, ce qui correspond aux poussées de signalisation qui se produisent lorsque les neurones sont actifs. Cependant, atteindre les niveaux encore plus bas, les concentrations nanomolaires au repos, nécessiterait une structure encore plus rigide, capable de supprimer un autre type de vibration qui limite actuellement la vitesse maximale de l'horloge.

Au-delà des exigences structurelles, l'étude a également mis en évidence un second goulot d'étranglement : le nombre de particules de lumière, ou photons, que le capteur peut émettre avant d'être détruit par la lumière même utilisée pour le lire. Même si l'horloge interne de la protéine était parfaite, le capteur aurait toujours du mal à détecter de faibles niveaux de radicaux s'il ne peut pas produire assez de lumière pour être clairement visible par rapport au bruit de fond. Les chercheurs ont calculé que pour atteindre la sensibilité nécessaire, les scientifiques devraient améliorer la luminosité du capteur et l'efficacité de l'équipement optique de plusieurs ordres de grandeur, ou utiliser des millions de capteurs travaillant ensemble. Cela crée un arbitrage : améliorer la stabilité interne du capteur est le moyen le plus efficace de booster la sensibilité, mais cela doit être couplé à une meilleure collecte de lumière pour être effectif.

L'article a également exploré comment ce capteur ancré génétiquement se compare aux technologies existantes. Les méthodes actuelles utilisent souvent de minuscules diamants contenant des lacunes d'azote, qui sont d'excellents capteurs mais sont trop volumineux pour être placés à l'intérieur d'une protéine spécifique. Ils doivent être délivrés à la cellule sous forme de particules étrangères et se situent généralement à dix ou vingt nanomètres de la cible, manquant ainsi les signaux les plus concentrés. Le capteur à protéine fluorescente, en revanche, peut être fusionné directement à la source, le plaçant à seulement quelques nanomètres de distance. Cette proximité lui donne un avantage distinct pour détecter les poussées locales d'activité, à condition que les problèmes de stabilité interne soient résolus. Les chercheurs ont également proposé une méthode pour distinguer différents types de radicaux en mesurant la réponse du capteur à différentes fréquences magnétiques, une capacité dont les capteurs actuels à fréquence unique sont dépourvus.

En fin de compte, l'étude conclut que bien que le concept d'utiliser ces protéines comme capteurs quantiques soit scientifiquement fondé, la version actuelle n'est pas encore prête pour l'usage biologique. La voie à suivre est claire mais exigeante : elle nécessite un effort ciblé pour l'ingénierie de la structure de la protéine afin de la rendre nettement plus rigide, ainsi qu'une amélioration des systèmes optiques pour capturer davantage de lumière. Les chercheurs ont fourni une feuille de route quantitative et spécifique pour ce défi d'ingénierie, définissant précisément à quel point la protéine doit changer pour devenir un outil viable pour la neuroscience. Ils suggèrent qu'à travers l'évolution dirigée, un processus où les protéines sont améliorées de manière itérative en laboratoire, il puisse être possible d'atteindre la rigidité nécessaire. D'ici là, le rêve d'observer les radicaux neuronaux en temps réel avec un capteur quantique génétiquement encodé reste hors de portée, bloqué par les vibrations fondamentales de la protéine elle-même.