Tryptophane et nanoparticules d’or : duo gagnant pour l’imagerie des cellules microbiennes dans l’ultraviolet profond

Les nanostructures de métal vont-elles bientôt devenir opérationnelles pour des applications cliniques ? Un pas de plus dans cette direction a récemment été fait. Des scientifiques de l’Université de Belgrade sont parvenus à suivre par imagerie dans l’ultraviolet profond, la distribution spatiale de nanoparticules d’or fonctionnalisées par le tryptophane dans des cellules microbiennes individuelles. Le tryptophane est un acide aminé essentiel particulier qui absorbe et émet dans le domaine ultraviolet. À l’aide du microscope TELEMOS de la ligne de lumière DISCO du synchrotron SOLEIL, ils se sont en effet intéressés à la fluorescence des cellules microbiennes en présence ou non des nanoparticules. Lorsque les cellules sont incubées, les scientifiques ont pu observer une fluorescence prononcée dans le domaine de l’ultra-violet (327-353 nm), qu’ils ont clairement pu différencier du phénomène d’auto-fluorescence naturel des cellules. Par ailleurs, l’intensité du signal augmente avec la quantité de tryptophane utilisée pour la fonctionnalisation de la surface. La haute résolution spatiale de cette technique d’étude a par ailleurs permis d’étudier spécifiquement la distribution de l’hybride fonctionnel dans la cellule.
Résultat : le signal fluorescent augmente des parois vers l’intérieur de la cellule, ce qui indique que les nanoparticules se sont ici essentiellement réparties au centre de la cellule d’E. coli.  

Images en champ lumineux (a) et en fluorescence (b) de cellules d'E. coli incubées avec des nanoparticules d'or fonctionnalisées avec le tryptophane (lexc = 280 nm, t = 6 min, Filter I: 327–353 nm). (c) Détails pseudo-colorés de la figure (b), montrant la distribution de l'intensité de fluorescence (lexc = 280 nm, t = 6 min, Filter I: 327–353 nm) dans les cellules d'E. coli et (d) distributions spatiales de l'intensité de fluorescence selon les directions transervale (ligne bleue) et longitudinale (ligne rouge) de la cellule d'E. coli. La taille des pixels sur les images en fluorescence est de 154 nm.

Dans leur étude, les scientifiques se sont également intéressés à la manière dont le tryptophane et les nanoparticules d’or interagissaient. Les images obtenues en microscopie électronique (TEM et HRTEM) ont mis en évidence que les particules d’or avaient tendance à s’agglomérer en présente du tryptophane. Leur diamètre moyen passe en effet de 8(+/-2) à 11(+/-3) nm. Les spectres d’absorption en UV-visible de l’or suggèrent que le tryptophane induit un élargissement du pic de résonance plasmonique de surface, accompagné d’un déplacement vers des longueurs d’ondes plus grandes. Ces observations indiquent la formation de couches de tryptophane à la surface de la nanoparticule. Pour déterminer les groupements du tryptophane impliqués dans l’interaction avec l’or, des mesures ont été réalisées en spectroscopie infrarouge par transformée de Fourier et par spectroscopie de photoélectrons induits par rayons X. Les changements observés sur les spectres du tryptophane suggèrent alors que ce sont majoritairement les groupements carboxyles et indoles qui sont impliqués dans l’interaction, avec également une contribution légère des anneaux de benzène et les groupements amine primaires.

Les nanoparticules d’or sont aujourd’hui très prometteuses en nano-médecine, puisqu’en plus d’être peu toxiques et biocompatibles, elles possèdent de très bonnes propriétés optiques et une excellente stabilité dans une large gamme de température. Cependant, du fait de leur petite taille, elles peuvent être absorbées de manière non-sélective. Le couplage des nanoparticules avec le tryptophane permet la détection de ces nanoparticules dans les cellules par des méthodes optiques rapides et non-invasives, et représente une étape de plus vers la meilleure compréhension de la distribution cellulaire des nanostructures métalliques, ce qui pourrait accélérer leur utilisation clinique.