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NANO-MACHINES POUR MIMER LES MUSCLES

 

Paris, 19 octobre 2012


Un assemblage de nano-machines pour mimer le muscle
Pour la première fois, un assemblage de milliers de nano-machines capables de produire un mouvement de contraction coordonné s'étendant jusqu'à une dizaine de micromètres, à l'instar des mouvements des fibres musculaires, a été réalisé par une équipe de l'Institut Charles Sadron du CNRS. Ces travaux novateurs menés par Nicolas Giuseppone, professeur à l'Université de Strasbourg, et impliquant des chercheurs du Laboratoire de matière et systèmes complexes (CNRS/Université Paris Diderot), valident expérimentalement une approche biomimétique conceptualisée depuis plusieurs années dans le domaine des nanosciences. Ils permettent d'envisager de très nombreuses applications en robotique, en nanotechnologie pour le stockage d'information, dans le domaine médical comme la réalisation de muscles artificiels ou pour concevoir d'autres matériaux incorporant des nano-machines (dotés de nouvelles propriétés mécaniques). Ces travaux viennent de paraître sur le site de la revue Angewandte Chemie International Edition.
La nature fabrique de nombreuses machines dites « moléculaires ». Assemblages de protéines très complexes, elles sont à l'origine de fonctions essentielles du vivant comme le transport d'ions, la synthèse de l'ATP (molécule énergétique) ou la division cellulaire. Nos muscles sont ainsi contrôlés par le mouvement coordonné de ces milliers de nano-machines protéiques qui ne fonctionnent individuellement que sur des distances de l'ordre du nanomètre. Mais en s'associant par milliers, elles amplifient le même mouvement télescopique jusqu'à atteindre notre échelle et ce, de manière parfaitement coordonnée. Même si des progrès fulgurants ont été accomplis ces dernières années par les chimistes de synthèse pour la fabrication de nano-machines artificielles (dont les propriétés mécaniques intéressent de plus en plus chercheurs et industriels), restait le problème de la coordination de plusieurs de ces machines dans l'espace et dans le temps.

C'est désormais chose faite puisque, pour la première fois, l'équipe de Nicolas Giuseppone a réussi à synthétiser de longues chaînes polymères incorporant par liaisons supramoléculaires (1) des milliers de nano-machines capables de produire chacune des mouvements télescopiques linéaires d'un nanomètre. Sous l'influence du pH, leurs mouvements simultanés permettent à l'ensemble de la chaîne polymère de se contracter ou de s'étendre sur une dizaine de micromètres, amplifiant ainsi le mouvement par un facteur 10 000, selon les mêmes principes que ceux utilisés par les tissus musculaires. Les mesures précises de cette prouesse expérimentale ont été effectuées en collaboration avec l'équipe d'Eric Buhler, physicien spécialiste de la diffusion du rayonnement au laboratoire Matière et Systèmes Complexes (CNRS/Université Paris Diderot).

Ces résultats obtenus par une approche biomimétique permettent d'envisager de très nombreuses applications pour la réalisation de muscles artificiels, de micro-robots ou pour la conception de nouveaux matériaux incorporant des nano-machines dotées de nouvelles propriétés mécaniques multi-échelles.

DOCUMENT           CNRS              LIEN

 
 
 
 

LA RADIOACTIVITE DE DEUX PROTONS...

 

Paris, 19 novembre 2007
La radioactivité de deux protons directement observée pour la première fois au GANIL
Dans une expérience réalisée au Grand accélérateur national d'ions lourds (GANIL), des physiciens du CEA, du CNRS/IN2P3 et de l'Université Bordeaux I(1) ont observé les particules émises dans un type particulier de désintégration, la radioactivité 2-protons. Ce résultat fait la une de Physical Review Letters(2)
Lors d'une expérience menée en septembre 2006, une équipe de physiciens du CEA, du CNRS/IN2P3 et de l'Université Bordeaux I avait enregistré les trajectoires des deux protons émis lors de la désintégration d'une dizaine de noyaux fer-45 (26 protons et 19 neutrons), des noyaux très exotiques car très pauvres en neutrons. Cette émission caractérise un type très rare de radioactivité, dite « 2-protons » car elle conduit à l'émission simultanée de deux protons. Elle doit son existence à un équilibre précaire des forces mises en jeu au sein du noyau.

Un dispositif expérimental spécifique
Pour étudier les mécanismes de cette forme de radioactivité si particulière et remonter aux interactions mises en jeu, il était nécessaire de mesurer individuellement les caractéristiques des protons émis. Dans ce but, les physiciens du projet ont développé un outil de détection permettant de visualiser en trois dimensions les trajectoires de particules chargées. Il s'agit d'une chambre dite « à projection temporelle » : les noyaux étudiés (tel que fer-45) y sont arrêtés dans un volume de gaz soumis à un champ électrique. Suite à la désintégration, les protons émis créent des charges électriques comme autant de traces de leur passage. Le détecteur permet de réaliser une « photographie » en 3 dimensions de ces charges électriques, les attirant vers une plaque de détection et mesurant le temps de déplacement.

Un appariement de particules surprenant
Cette radioactivité 2-protons, extrêmement rare, était prédite depuis les années 1960 par un physicien russe, V.I. Goldanskii, pour des noyaux atomiques comportant un très grand excès de protons par rapport à leur nombre de neutrons. Ce déséquilibre rend un tel noyau particulièrement instable et par conséquent très difficile à produire en laboratoire.
Chargés positivement, les protons se repoussent. Du fait de leur excès, la principale force de cohésion du noyau -l'interaction nucléaire forte- n'est plus capable de retenir les derniers protons : le noyau ne devrait simplement pas exister. Deux effets combinés permettent malgré tout de former ce noyau :
    •    l'un est lié à la courte portée des forces nucléaires qui crée une poche d'attraction à courte distance tandis que les forces électriques induisent une répulsion à longue distance. Ce phénomène correspond à la création d'une barrière de potentiel (dite « coulombienne »), retenant les protons excédentaires à l'intérieur du noyau,
    •     l'autre effet est créé par l'appariement des deux protons qui donne un léger surplus de stabilité lorsque les particules s'associent par paires.
Ainsi, les deux derniers protons sont liés ensemble dans le noyau jusqu'à ce qu'ils finissent par traverser simultanément la barrière coulombienne, quelques millièmes de secondes plus tard. Une fois hors du noyau, les protons ne sont plus appariés et redeviennent indépendants.

Les étapes d'une longue quête
Le processus de radioactivité 2-protons a été caractérisé pour la première fois par les mêmes chercheurs en 2002 au GANIL, pour une douzaine de noyaux fer-45. Parallèlement, des résultats concordants étaient obtenus au GSI (Darmstadt, Allemagne). Dans ces deux expériences, les mesures étaient indirectes et ne signaient pas explicitement l'émission des deux protons. Ce type de radioactivité a également été observé en 2004, par la collaboration française, pour un autre noyau, zinc-54 (30 protons, 24 neutrons). L'observation directe qui vient d'être publiée est donc une étape importante dans l'étude de ce nouveau phénomène.
Les prochaines expériences prévues au GANIL visent à produire et observer 10 à 100 fois plus de noyaux émetteurs de protons. La radioactivité 2-protons pourrait ainsi révéler les secrets de l'appariement des protons dans le noyau.

 

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CARTE DES SEISMES

 

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NANOMACHINES

 

Paris, 5 mars 2009

Une seconde pour sonder des nanomachines moléculaires au niveau atomique
Des chercheurs de l'Institut de biologie structurale Jean-Pierre Ebel (IBS, Institut mixte CEA-CNRS-Université Joseph Fourier, Grenoble) viennent de développer une nouvelle technique, basée sur la Résonance magnétique nucléaire (RMN), permettant de réduire considérablement le temps nécessaire pour sonder, au niveau atomique, des assemblages biomoléculaires de grandes tailles. Les temps d'analyse passent ainsi de plusieurs minutes à près d'une seconde ce qui ouvre un nouveau champ de recherche dans l'étude structurale de ces assemblages. Elles devraient permettre d'observer en temps réel les changements structuraux et dynamiques au sein de nanomachines(1) moléculaires lorsqu'elles exercent leur action. Ces résultats viennent d'être publiés en ligne par la revue Journal of the American Chemical Society.
L'étude fonctionnelle et structurale des nanomachines  biologiques est une tâche difficile compte tenu de la dimension des objets étudiés, de leur flexibilité et de la complexité des substrats manipulés (protéines, peptides, ADN, ARN…). Elle nécessite la combinaison de la cristallographie aux rayons X et de méthodes à « basse » résolution telles que la microscopie électronique. Ces méthodes permettent difficilement d'obtenir des informations cinétiques pourtant nécessaires pour comprendre la dynamique fonctionnelle d'un système.
 
La spectroscopie RMN[2] est la méthode de choix pour étudier, avec une résolution atomique, les propriétés structurales et dynamiques des macromolécules biologiques en solution. Récemment, le développement de techniques de marquages isotopiques spécifiques[3] a permis de repousser les frontières de cette méthode à l'analyse des assemblages biomoléculaires pouvant atteindre 1 méga Dalton[4]. L'utilisation de spectromètres RMN opérant à des champs magnétiques élevés a, de son côté, amélioré la résolution des observations. Cependant l'étude cinétique des modifications au sein de ces assemblages restait limitée par les temps de mesure (plusieurs minutes voire plusieurs heures) nécessaires pour repérer chaque groupe d'atomes par leurs signaux RMN spécifiques. Une autre technique nouvellement mise au point, la RMN rapide[5], permet d'accélérer l'enregistrement des spectres RMN.
Pour la première fois, les chercheurs de l'IBS ont réussi à combiner ces trois techniques, et ainsi, à réduire à près d'une seconde le temps expérimental requis pour sonder par RMN des assemblages biomoléculaires de plusieurs centaines de kilo Dalton.

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