nano-machine n°16 - Université Paul Sabatier

p a g e 4 P a u l S a b a t i e r — L e m a g a z i n e s c i e n t i f i q u e — n u m é r o 1 6
De nos jours, la miniaturisation est
omniprésente : voitures, hélicoptères, satellites,
calculateurs, mémoires, téléphones….
Aujourd’hui on commence à construire
des nano-machines dont les domaines
d’application concernent des disciplines telles
que la biologie, la physique, l’automatique…
En fait, il y a bien longtemps qu’artisans puis
ingénieurs s’évertuent à développer le savoir-
faire d’une réduction en taille des machines
pour nous faire bénéficier de ses avantages.
On s’émerveille encore du calculateur
astronomique d’Anticythère qui deux siècles
avant notre ère faisait entrer un système solaire
en miniature dans la maison du philosophe
grec Hipparchus. Il était fait d’une trentaine
d’engrenages en bronze chacun d’un diamètre
de quelques centimètres. Transmis par la
science arabe aux horlogers de la fin du moyen
âge puis revisités par un Blaise Pascal pour
sa machine à calculer mais aussi par les
amoureux des automates, ces mécanismes
miniatures ont longtemps tenu la technologie
des machines sans trop se voir réduire en taille.
La technologie monolithique inventée avec la
micro électronique a ensuite donné une
nouvelle impulsion à la miniaturisation des
dispositifs électroniques et mécaniques. Il est
devenu possible de fabriquer des engrenages en
matériaux solides d’un diamètre inférieur à
100 nm. Du coup, une nouvelle question est
apparue au début de ce siècle: à partir de cette
échelle peut-on encore fabriquer et faire
tourner des roues, assembler des trains
d’engrenage ou des machineries mécaniques
d’une taille encore plus petite ?
De plus en plus petit
Cette question intéresse bien sûr la technologie
des machines puisqu’il est généralement admis
que la réduction en taille d’une machine
permet d’en améliorer le temps de réponse ou
l’efficacité énergétique par rapport à une
grande sœur non miniaturisée. Cette question
interroge aussi les grands principes de la
physique comme le principe de superposition
de la mécanique quantique et le second
principe de la thermodynamique. On sait aussi
depuis le milieu des années soixante dix et
grâce aux travaux précurseurs de Paul Boyer
(Prix Nobel de chimie en 1997), que la Nature
a devancé cette question. En effet, certains
processus élémentaires de la vie d’une cellule
utilisent des machineries macromoléculaires
complexes en jouant sur des changements de
conformation d’assemblages de protéines
pour créer du mouvement.
Un mot nouveau est donc apparu dans
le vocabulaire scientifique :
« nano-machine ». Pour les uns, une nano-
machine est une machine dont la taille ne
mesure que quelques nanomètres. Pour
d’autres, une nano-machine est une machine
miniature dont les pièces élémentaires sont
fabriquées avec une précision de l’ordre du
nanomètre. Les six contributions de ce dossier
présentent des nano-machines répondant à ces
deux définitions et qui sont explorées dans les
laboratoires toulousains.
Des systèmes et des approches variées
A l’UPS, des équipes de biologistes ont disséqué
le fonctionnement de plusieurs nano-machines
du vivant à l’aide d’approches expérimentales
in vitro novatrices à l’échelle de macromolécule,
molécule unique. Ainsi, à l’Institut de
pharmacologie et biologie structurale (IPBS,
unité mixte UPS/CNRS), deux équipes
travaillent à élucider les mécanismes de
Les nano-machines
mécaniques
Constituées d’une molécule unique ou d’un ensemble complexe de molécules
parfaitement assemblées à l’échelle du nanomètre, les nano-machines
réalisent des fonctions analogues aux machines mécaniques de notre échelle.
Comprendre et maîtriser ces nano-machines est la motivation des chercheurs
toulousains dans de nombreuses disciplines telles la biologie, la physique ou
l’automatique.
dOSSIER
LES NANO-MACHINES
>>> Christian JOACHIM, directeur de recherche
CNRS au Centre d'Elaboration de Matériaux et
d'Etudes Structurales (CEMES, unité propre CNRS,
associée à l’UPS), Laurence SALOMÉ, directrice de
recherche CNRS à l’Institut de Pharmacologie et
Biologie Structurale (IPBS, unité mixte UPS/CNRS)
et Christophe VIEU, professeur à l’UPS,
au Laboratoire d'Analyse et d'Architecture
des Systèmes (LAAS, unité propre CNRS,
associée à l’UPS). © Cyril Frésillon/CNRS

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machineries de l’ADN responsables de sa
réplication et de sa recombinaison, deux
processus essentiels pour le maintien et
l’évolution du génome. Pour l’étude de la
réplication de l’ADN, les chercheurs analysent
le résultat du travail effectué par cette nano-
machine protéique dans la cellule en
cartographiant individuellement les molécules
d’ADN synthétisé. La méthode utilisée est le
peignage moléculaire, mais une approche
originale potentiellement plus performante est
à l’étude en collaboration avec un chercheur du
Laboratoire d’analyse et d’architecture des
systèmes (LAAS, unité propre CNRS, associée à
l’UPS). Les machineries de la recombinaison sont
elles étudiées au sein d’un deuxième groupe en
collaboration avec des collègues du Laboratoire
de Microbiologie et génétique moléculaires
(LMGM, unité mixte UPS/CNRS). L’approche
consiste cette fois à observer le travail effectué
par la nano-machine impliquée en détectant au
cours du temps les modifications induites sur
la molécule d’ADN. Ceci est effectué à l’aide d’un
« jokari » moléculaire : la technique de « Tethered
Particle Motion ». Une variante de cet outil, la
pince magnétique, permet d’étudier le
comportement sous force des nano-machines
biologiques. Elle est utilisée par une équipe du
Laboratoire de biologie moléculaire eucaryote
(LBME, unité mixte UPS/CNRS) pour élucider le
mécanisme de migration d’une jonction de
Holliday existant entre deux molécules d’ADN
qui échangent leurs brins.
Au LAAS, on étudie une machinerie protéique
encore plus complexe faite d’une centaine de
protéines assemblées en un moteur flagellaire de
45 nm de diamètre. Ce moteur naturel se trouve
à la base du flagelle des bactéries et permet leur
propulsion à des vitesses impressionnantes
(60 fois leur longueur par seconde). L’objectif de
ces chercheurs est double : comprendre le
fonctionnement de ce nanomoteur et mettre en
place une technologie capable de reconstituer
cette nanomachine naturelle au sein d’un
dispositif artificiel. Les chercheurs du LAAS
étudient les raisons d’une telle efficacité et
essayent de découvrir comment cette
nanomachine s’auto-assemble. Pour comprendre
son fonctionnement et son assemblage, rien de
tel que d’essayer de la « remonter » à partir de
ses rouages élémentaires : les protéines !
Au CEMES (unité propre CNRS, associée à l’UPS)
les chercheurs du groupe Nanosciences (GNS)
approchent la question des nano-machines par
en bas. Au lieu de poursuivre, avec les outils
standard de la miniaturisation, la fabrication de
machines de plus en plus petites, ils partent des
atomes eux même. Ils remontent en taille pour
trouver le nombre d’atomes juste nécessaire à la
construction par exemple d’un engrenage, d’une
crémaillère ou même d’une voiture. Cette
approche moléculaire des nano-machines est née
à Toulouse. Pour faire fonctionner une molécule-
machines, les chercheurs du GNS utilisent le
microscope à effet tunnel. Dernier né des
microscopes (inventé en 1981), il permet de
cartographier la surface d’un métal ou d’un
semi-conducteur avec une précision meilleure
que 0.01 nm. Une fois la pointe de ce microscope
fabriquée avec soin, l’expérimentateur peut
manipuler un seul atome ou une seule molécule
à la fois et donc fournir à une molécule machine
complexe l’énergie nécessaire à son
fonctionnement.
Contact : [email protected],
[email protected], [email protected]
Les
nano-machines
>>> Sur un fond représentant le calculateur d'Anticythère (IIème siècle avant notre ère, musée d'Athènes),
quelques nano-machines (vue d'artiste).

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Les nano-machines
de la recombinaison génétique
Au cours de la vie d’une cellule, l’ADN, support de notre patrimoine héréditaire,
est régulièrement recombiné de manière spontanée ou en réponse à des
dommages (agressions chimiques, rayonnements). La recombinaison consiste
en une succession de réactions de coupure et de ligature assurées par des
complexes protéiques, véritables nano-machines du vivant. En permettant des
échanges entre brins d’ADN, ces machines sont les moteurs de la diversité
génétique, premier pas de l’évolution.
Sur le campus de l’université Paul Sabatier, trois
équipes de recherche étudient différents types de
recombinaisons génétiques à l’échelle de la molécule
unique : la transposition, la recombinaison spécifique de
site et la recombinaison homologue, chacun catalysé par
une machinerie enzymatique propre (suffixe -ase).
Les transposases catalysent le déplacement de
séquences d’ADN d’une position à une autre d’un
génome (transposition). Ces séquences colonisant tous
les génomes (40% du génome humain), la
compréhension du fonctionnement de ces machines,
objectif des travaux d’une équipe du Laboratoire de
microbiologie et génétique moléculaires (LMGM), est un
enjeu majeur. En outre, la maîtrise in vitro du processus
de transposition ouvre actuellement des applications
importantes dans le domaine de la santé (thérapie
génique).
Les recombinases réalisent, quant à elles, des
recombinaisons entre chromosomes au niveau de
séquences bien identifiées. Par
exemple, les recombinases XerC et
XerD, étudiées dans une autre équipe
du LMGM, séparent les chromosomes
dans les dimères formés
accidentellement lors de la réplication
chez E. coli. Cette machine en
rétablissant l’intégrité du génome
assure la survie des bactéries affectées
par cette anomalie génétique. Les
propriétés et les performances des
recombinases sont à la base des
techniques actuelles de transgénèse.
Les hélicases étudiées dans une
équipe du Laboratoire de Biologie
Moléculaire Eucaryote (LBME)
s’assemblent pour former des moteurs
de l’échange de brins entre deux
molécules d’ADN similaires. Ce
processus de recombinaison
homologue, mis en place en réponse à
des cassures de la double hélice
d’ADN, joue un rôle prépondérant
dans la réparation de l’ADN et le
maintien de l’intégrité des génomes.
Observer les machines de recombinaison
au travail
La caractérisation de ces machines biologiques a
commencé à l’aide de méthodes biochimiques classiques.
Elles ont montré que les recombinaisons mettent en jeu
différentes étapes savamment orchestrées et que l’auto-
assemblage de leurs machineries est déterminant pour
leur efficacité et leur régulation. Pour élucider le détail
structurel et dynamique des processus, nos équipes se
sont récemment tournées vers des techniques de mesure
à l’échelle de la molécule individuelle.
La technique de Tethered Particle Motion, développée
à l’IPBS, consiste à détecter le déplacement d’une nano-
particule fixée à l’extrémité d’une molécule d’ADN
ancrée sur une lamelle de verre. Elle permet de suivre
la dynamique de l’ADN et donc des changements de
longueur, de rigidité ou de courbure. Très sensible,
la technique peut détecter la liaison d’une protéine
à l’ADN. Ces expériences ont conduit à des résultats
importants comme la démonstration de la formation
d’une boucle dans la molécule d’ADN par la transposase
comme première étape de la transposition et la mesure
de la vitesse de migration d’une jonction de Holliday
(point d’échange des brins des ADN). Avec une
particule micrométrique magnétique, une force
(<10 pN ou 10-11Newton) peut être appliquée à l’ADN.
Cette méthode dite « pince magnétique » est utilisée
par l’équipe du LBME pour mieux comprendre l’hélicase
mais aussi d’autres enzymes introduisant une torsion
de l’ADN.
Les chercheurs des équipes du LMGM et de l’IPBS
complètent l’étude des recombinases et transposases
par une visualisation directe de leur action sur des
molécules d’ADN au moyen des microscopes à force
atomique de la plateforme ITAV (Institut des
Technologies Avancées en sciences du Vivant).
Contact : [e-mail]
>>> de gauche à droite : Philippe ROUSSEAU
Maître de conférences à l’UPS, au LMGM,
Mikhail GRIGORIEV, Chargé de recherche
Inserm au LBME, Catherine Tardin, Maître de
conférences à l‘UPS à l’IPBS, François CORNET
Directeur de recherche CNRS au LMGM,
Michael CHANDLER, Directeur de recherche
CNRS au LMGM et Laurence SALOMÉ,
Directeur de recherche CNRS à l’IPBS.
Les
nano-machines
>>> Le mouvement d’une bille attachée à l’extrémité libre d’une
molécule d’ADN permet de suivre l’action de nano-machines du
vivant. Haut : une transposase ou une recombinase en rassemblant
deux sites spécifiques d’une même molécule y forment une boucle
accompagnée par une amplitude de mouvement plus faible. Bas :
une hélicase catalyse la migration de la jonction entre deux molécu-
les d’ADN échangeant leurs brins, révélée par une diminution conti-
nue de l’amplitude du mouvement.

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Les nano-techniques
pour visualiser
la duplication de l’ADN
L’essor récent de techniques permettant de visualiser la nano-machinerie de la
réplication de fibres individuelles d’ADN ouvre de nouvelles perspectives.
Objectif : mieux comprendre les liens entre défauts de réplication et instabilité
génétique.
La machinerie de réplication de l’ADN est une nano-
machine biologique particulièrement efficace et
critique qui assure la duplication de l’ensemble du
génome humain avant la ségrégation des
chromosomes. Elle débute au niveau de régions
précises appelées « origines de réplication » et
progresse sous la forme de fourches de réplication,
composées par de nombreux facteurs essentiels pour la
polymérisation fidèle de l’ADN (les ADN polymérases)
et pour la stabilisation de ces fourches en cas de
rencontres d’obstacles endogènes (domaines
chromosomiques complexes et structurés) ou exogènes
(facteurs génotoxiques de l’environnement). La
moindre défaillance dans l’expression ou l’activité des
facteurs de réplication peut affecter le maintien de
l’intégrité du génome et avoir des conséquences en
pathologie humaine. C’est le cas notamment lors du
développement de certains cancers où l’instabilité
génétique est un élément moteur dans les processus
d’initiation et de progression de la maladie, mais
également dans les mécanismes de résistance
thérapeutique. Les mécanismes moléculaires à
l'origine de ces défauts de réplication dans les cancers
restent encore mal connus. En effet, les profils de
réplication varient considérablement d’une cellule à
l’autre et les approches biochimiques existantes ne
permettent d’obtenir qu’une image moyenne de la
réplication dans une population de cellules.
Peigner l’ADN
L’essor récent de nano-techniques
permettant de visualiser la réplication au
niveau de fibres individuelles d’ADN ouvre
de nouvelles perspectives pour la
compréhension des liens existant entre
défauts de réplication et instabilité
génétique dans les cancers. Ces nouvelles
approches permettent non seulement
d’identifier l’origine des défauts de
réplication dans les lésions précancéreuses,
mais aussi de définir de nouvelles stratégies
thérapeutiques anti-tumorales afin de
potentialiser l'effet des traitements actuels
agissant sur les fourches de réplication. La
plus performante de ces approches, appelée
peignage moléculaire (brevetée par le CNRS et
l’Institut Pasteur), a été développée en France par le
Dr. Aaron Bensimon, et n’est encore utilisée que par
un nombre réduit d’équipes dans le monde, dont
notre équipe « Instabilité Génétique et Cancer » (IGC)
à IPBS. Le peignage moléculaire (ou DNA Combing
en anglais) permet d’accrocher et d’étirer les fibres
d’ADN sur une lame de verre silanisée. Une fois
peignées, ces fibres individualisées, qui peuvent
mesurer quelques Megabases (Mb), apparaissent
linéaires et parallèles les unes aux autres. Leur
visualisation est possible grâce à l’incorporation
d’analogues de nucléotides fluorescents. D’une
résolution de 0.005Mb environ, le peignage
moléculaire de l’ADN permet de décrypter le
programme de réplication (densité d’origines,
cinétique des fourches,…). Cette technologie
a récemment permis à notre équipe IGC d’expliquer
une origine de la perturbation du programme
réplicatif des tumeurs(1).
Mettre de l’ADN dans des nano-tubes
L’équipe Nano-Ingénieurie et Intégration des
Systèmes au LAAS développe actuellement des
aspects méthodologiques innovants, fondés sur les
techniques de nano-fabrication et alternatifs au
peignage. Grâce aux outils issus de la
microélectronique, qui permettent de structurer la
matière jusqu’à l’échelle de quelques nanomètres, il
est en effet possible de concevoir des nano-capillaires
d’environ 100 nm de diamètre. Compte tenu du
confinement, les molécules d’ADN insérées dans ces
nano-tubes sont étirées longitudinalement, d’une
manière comparable au peignage d’ADN. Ce peignage
strictement parallèle est dynamique car il ne nécessite
pas de figer les molécules sur des surfaces, ce qui
ouvre une voie vers des applications médicales
à haut débit.
(1) (Pillaire et al., Cell Cycle 2007, recommended article in
Faculty of 1000 Biology)
Contact : [e-mail]
Aurélien BANCAUD, Chargé de recherche
CNRS au LAAS (unité CNRS,
associée à l’UPS)
>>> >>> Marie-Jeanne PILLAIRE,
Chargé de recherche Inserm et
Jean-Sébastien HOFFMANN,
Directeur de recherche Inserm à l’IPBS
(unité mixte UPS/CNRS)
>>> (A) Fibres d’ADN peignées sur lame ayant incorporé
des analogues de nucléotides fluorescents ;
(B) Cliché de microscopie électronique de nano-canaux gravés
dans du silicium. Les structures mesurent ~150 nm de largeur
et de hauteur, et sont réalisées en parallèle. L'insert représente
un cliché de microscopie à fluorescence d'ADN insérés dans les
nanocanaux (flèches rouges), et d'autres ADN en forme circulai-
re, non contraints, sont visibles à gauche de la photo, et se trou-
vent dans des canaux d'arrivée macroscopiques.
Les
nano-machines

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p a g e 8 P a u l S a b a t i e r — L e m a g a z i n e s c i e n t i f i q u e — n u m é r o 1 6
L’utilisation du mouvement de rotation d’une roue
autour d’un axe a conduit à la conception de
machineries mécaniques à engrenages multiples puis,
plus tard, aux moteurs lançant ainsi la révolution
industrielle. L’échelle d’un nanomètre, la plus petite
échelle pour créer une roue, représente aux yeux des
chimistes et des physiciens un véritable défi. Depuis
quelques années, les chimistes du CEMES travaillent à
la conception puis à la synthèse de molécule-machines
munies de roues. Étape par étape, ils ont été les
premiers à défricher ce domaine avec leurs collègues
de l'Université Libre de Berlin (équipe du Dr Leonhard
Grill). L'originalité de l’approche consiste à travailler
sur une seule molécule à la fois, choisie parmi un
grand nombre, déposée sur une surface métallique.
Avec sa pointe ultra fine stabilisée à moins de 1 nm
de la surface par un courant électrique induit par
l'effet tunnel, le microscope à effet tunnel (STM)
cartographie ces molécules. Cette pointe permet
ensuite de les manipuler une à la fois afin d’étudier
les propriétés mécaniques de chacune de ces molécule-
machines.
La molécule brouette
Après la synthèse et l’observation en 2005 d’une
molécule-brouette (c'est à dire une molécule
constituée d'un plateau rigide, de deux pieds et de
deux roues), les chercheurs ont montré en 2007
qu’une des deux roues moléculaires montées sur un
essieu pouvait tourner lors de son déplacement induit
par la pointe du STM. Ils ont réussi à contrôler son
sens de rotation ce qui ouvre la voie à la synthèse de
nano-véhicules fonctionnels. L’expérience consistait à
déposer délicatement ces molécules sur une surface de
cuivre très propre et de les repérer par imagerie STM.
Ensuite, la pointe du STM se comporte comme un
doigt et déclenche le mouvement de rotation de la
roue interagissant avec l'extrémité atomique de la
pointe. Auparavant, cet apex avait été placé
intentionnellement à la verticale d’une roue mais un
peu en retrait pour déclencher le mouvement de
rotation (voir la figure).
Vers une nano-voiture
Ces roues ont néanmoins un défaut intrinsèque de
par leur structure à trois pâles sans « pneu ».
Aujourd’hui, les chercheurs du CEMES développent
une nouvelle famille de roues rigides, circulaires et de
forme incurvée ce qui permet à la fois de minimiser
les interactions mécaniques avec la surface tout en
augmentant la rigidité nécessaire à la rotation de la
roue autour de son axe lors d’une poussée arrière par
l’apex de la pointe. Ces résultats ouvrent la voie à la
création de molécule-machines mécaniques avec pour
objectif à long terme de pouvoir embarquer dans une
seule molécule toute la machinerie d’une nano-voiture :
ses quatre roues, son châssis et son moteur, ceci pour
transporter de la matière dans le nanomonde.
Contact : [e-mail]
De la roue nanométrique
aux véhicules moléculaires
>>> Christian JOACHIM, directeur de recherches
au CNRS ; Henri-Pierre JACQUOT, doctorant ;
Gwénaël RAPENNE, maître de conférences à
l'UPS, chercheurs au Centre d'Elaboration de
Matériaux et d'Etudes Structurales (CEMES,
unité propre CNRS associé à l’UPS).
© Cyril Frésillon/CNRS
Dans l’histoire des inventions, la roue est à l'origine de développements
scientifiques et technologiques considérables. Les chercheurs du CEMES ont
été parmi les premiers à concevoir des nano-machines équipées de roues
ouvrant ainsi la voie à la conception d'une nano voiture constituée d'une
molécule unique.
Les
nano-machines
>>> L'essieu terminé par deux roues est poussé
par l'apex de la pointe (en gris) du microscope
à effet tunnel sur une surface de cuivre.