Développement de membranes biochimiquement sensibles avec l’électrochimie

Dans cette interview, News-Medical Life Sciences s’entretient avec Lane Baker, professeur de chimie à l’Université de l’Indiana à Bloomington, sur le rôle de l’électrochimie dans le développement de membranes biochimiquement sensibles ainsi que sur les travaux en cours au laboratoire Baker.

Pouvez-vous définir l’électrochimie à l’échelle nanométrique?

Le terme «électrochimie à l’échelle nanométrique» a deux significations: la première consiste à ramener les choses à l’échelle nanométrique, mais la seconde concerne le changement des propriétés du système. Lorsque vous arrivez à des échelles très petites, les choses se comportent différemment.

Nous l’avons vu en électrochimie à la fin des années 80 et au début des années 90, lorsque les choses se sont réduites à l’échelle microscopique. Cela a provoqué une révolution dans l’électrochimie, et l’échelle nanométrique est la prochaine révolution, alors que nous passons à des échelles encore plus petites où nous trouvons de nouveaux phénomènes liés aux dimensions. Tout se passe beaucoup plus vite à ces plus petites échelles.

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Quelles sont les applications environnementales et médicales où l’électrochimie à l’échelle nanométrique peut être appliquée?

Une fois que vous arrivez à l’échelle nanométrique, vous travaillez à des tailles plus petites qu’une cellule individuelle; la biologie fonctionne à l’échelle nanométrique par nature.

Une fois que vous avez atteint l’échelle des molécules de protéines, cela vous donne l’occasion de réfléchir à de nouvelles façons de mesurer une protéine à la fois ou de comprendre comment une protéine interagit avec une autre.

Si vous commencez à penser à essayer de mesurer l’un de quelque chose à l’échelle nanométrique – la mesure électrochimique – il est important de se demander si la mesure de cette chose reflète réellement ce que l’échantillon entier ou le groupe entier de molécules essaie de vous dire.

De nombreuses applications en électrochimie et en biologie à l’échelle nanométrique impliquent l’utilisation d’une combinaison de statistiques et de mesures électrochimiques à l’échelle nanométrique.

Vous voudrez peut-être mesurer une chose, mais vous devez mesurer cette chose plusieurs fois sur de nombreuses molécules différentes, puis essayez de comprendre comment tout cet agrégat de molécules vous donne une réponse qui reflète les propriétés de l’échantillon observé à plus grande échelle. .

Vous vous êtes spécialisé dans les nanopores. Quels sont-ils et comment peuvent-ils être utilisés comme plateforme de recherche à l’échelle nanométrique?

Un nanopore est un petit trou qui a une dimension de l’ordre du nanomètre. La biologie utilise des choses comme les nanopores pour exécuter des fonctions tout le temps, et ceux-ci se trouvent dans les canaux protéiques, les canaux ioniques ou les transporteurs qui traversent les membranes des cellules.

Dans les systèmes synthétiques, nous pouvons fabriquer des nanopores à partir de nombreux types de matériaux différents, par exemple des nanotubes de carbone ou des membranes polymères. Mon groupe de recherche utilise des pipettes à l’échelle nanométrique pour faire une grande partie de nos recherches.

En électrochimie, les nanopores nous donnent un moyen de contrôler les champs électriques et les concentrations d’ions et de molécules dans un espace très petit et bien défini. Un nanopore est un type d’électrode différent de celui que vous utiliseriez généralement, comme une électrode métallique sur laquelle vous feriez de l’électrochimie faradique.

Au lieu de cela, avec un nanopore, nous examinons généralement les ions traversant ce pore d’une manière ou d’une autre, ou comment le transport des ions à travers ce pore devient occlus ou amélioré en fonction de l’échantillon et des propriétés que nous essayons de mesurer.

Une façon de comprendre un pore ou un nanopore est de penser à un stade de football. Imaginez que la solution que vous essayez d’analyser comprend toutes les personnes présentes dans le stade, et que vous voulez être en mesure de catégoriser et d’identifier chacune de ces personnes et de comprendre ce qu’elles sont.

Si vous faites passer toutes ces personnes à travers une seule porte pour quitter le stade de football, vous pouvez surveiller chacune d’elles pendant qu’elles passent et enregistrer quelque chose sur chaque personne.

Avec un nanopore, nous essayons de faire la même chose. Au lieu d’avoir une grande solution, nous allons utiliser une porte, qui est notre nanopore. En forçant toutes les molécules à traverser cette porte, nous pouvons les compter ou les caractériser d’une manière ou d’une autre à mesure qu’elles passent.

Un nanopore nous donne une opportunité. Si la taille du pore se réduit à la taille de ce que nous essayons de mesurer, cela nous donne une chance d’essayer d’identifier les choses une par une.

Pouvez-vous décrire les travaux récents du groupe du laboratoire Baker sur le développement de membranes, de capteurs et d’imagerie électrochimique biochimiquement sensibles à l’aide de nanopores?

Mon groupe a passé la majeure partie de 15 ans à développer un outil appelé microscopie à conductance ionique à balayage (SICM), qui nous permet de mesurer la conductance ionique locale aux interfaces. Ces interfaces peuvent être des éléments tels que des membranes, des échantillons de tissus ou des cellules individuelles.

SICM est idéal pour prendre des images topographiques et obtenir une image de ce à quoi ressemble une surface, mais nous avons également passé beaucoup de temps à essayer d’incorporer une sélectivité chimique dans la mesure que nous effectuons.

Pour ce faire, nous modifions les sondes pour leur conférer des caractéristiques particulières. Par exemple, récemment, nous avons ajouté des canaux ioniques à des pipettes à l’échelle nanométrique, laissant essentiellement le canal protéique devenir un capteur.

Si nous déplaçons une pipette à l’échelle nanométrique qui a été modifiée avec le canal protéique près d’une interface qui nous intéresse, nous pouvons mesurer à quelles molécules ce canal répond de manière sélective.

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Votre recherche se situe à l’intersection des sciences naturelles et de la technologie. Comment ces domaines s’influencent-ils les uns les autres?

Je prendrais les sciences naturelles pour désigner le monde physique que nous essayons de mesurer. La technologie évoquait autrefois l’instrumentation, mais maintenant je pense que cela signifie aussi des choses comme les flux de données et de nouvelles façons de traiter ces données.

De nouveaux types d’instrumentation et de méthodes de mesure sont au cœur de la chimie analytique. Presque chaque fois qu’un nouveau domaine s’est ouvert ou qu’une découverte vraiment importante a été faite, il y a eu une sorte de nouvel outil ou une nouvelle technique qui a permis de faire cette mesure.

Je crois fermement en l’idée de construire de nouveaux instruments, même si nous ne savons pas exactement ce que nous allons en faire au départ. Nous essayons de repousser les limites de ce que nous pouvons mesurer, en termes de mesure de quelque chose plus rapidement, à des concentrations plus faibles ou dans un environnement plus bruyant.

Une fois que nous avons cet outil, nous sommes le marteau proverbial à la recherche d’un clou, nous commençons donc à explorer où nous pouvons appliquer cet outil dans le monde physique et quels types de nouvelles mesures nous pouvons faire qui nous permettront de mieux comprendre comment le monde travaux.

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Pourquoi avez-vous choisi d’assister au Pittcon virtuel de cette année?

Pittcon occupe une place particulière dans la communauté de la chimie analytique. Beaucoup d’entre nous dans ma génération ont eu des expériences formatrices ou cruciales en chimie analytique à la conférence de Pittsburgh.

Pittcon a toujours été un endroit idéal pour entendre parler de chimie analytique, et c’est aussi un endroit où de nombreuses organisations et sociétés se réunissent dans un format plus grand et se rencontrent.

L’American Chemical Society et la Society for Electroanalytical Chemistry sont deux organisations auxquelles je participe, et je suis très intéressé à voir tous mes amis et à parler des affaires qui se déroulent dans ce genre de communautés.

Pourquoi pensez-vous que des événements comme Pittcon sont importants, maintenant plus que jamais?

J’étais vraiment fatiguée de voyager, mais pour le moment, si j’avais pu monter dans un avion et aller à la Nouvelle-Orléans, je l’aurais fait en une seconde. Mon groupe et moi avions vraiment hâte d’aller à Pittcon à la Nouvelle-Orléans cette année.

Il y a un an, lorsque la pandémie a commencé, la Nouvelle-Orléans était un moment fort de notre calendrier. Lorsque cela a changé, nous avons été déçus, mais cela n’a pas changé notre besoin de stimulation et le besoin de parler à d’autres personnes de notre science et de leur science, pour voir où il y a des points communs et des choses que nous pouvons apprendre les uns des autres.

La science ne se fait pas dans le vide, et nous devons tirer le meilleur parti de ce que nous avons dans ces conditions. Je pense que si la moitié des réunions auxquelles nous allions auparavant devenaient des réunions virtuelles, ce serait bien, mais ce serait formidable si Pittcon était toujours en face à face et dans des endroits comme la Nouvelle-Orléans une année donnée.

A propos de Lane Baker

Lane Baker a obtenu un diplôme de BS de la Missouri State University en 1996. Il a obtenu son doctorat. diplôme à la Texas A&M University en 2001 en collaboration avec Richard M. Crooks. Il a ensuite reçu une bourse postdoctorale du National Research Council pour étudier les microscopies à sonde scannée avec Lloyd J. Whitman au Naval Research Laboratory de Washington, DC. Il a étudié les membranes nanopores et les plates-formes nanopores uniques en tant qu’associé postdoctoral avec Charles R. Martin à l’Université de Floride.

Lane s’intéresse aux méthodes électrochimiques d’analyse et d’imagerie. Les travaux actuels de son groupe se concentrent sur les applications des nanopores pour le développement de membranes chimiques et biochimiquement sélectives, le développement de capteurs et l’imagerie électrochimique.