L’AFM : un microscope bien différent

Cette classe de microscope n’est pas basée sur un passage d’électron ou de photon comme la grande majorité des microscopies conventionnels. Développée par G. Binnig, C. Quate et C. Gerber en 1986, la microscopie à force atomique (AFM) repose essentiellement sur l’analyse d’un objet point par point au moyen d’un balayage réalisé par une sonde locale.

La sonde AFM est constituée d’une pointe de taille nanométrique et d’une forme géométrique extrêmement fine, la pointe est positionnée à l’extrémité d’un microlevier fabriqué à l’aide d’un matériau flexible. Alors, la microscopie à force atomique fonctionne en mesurant les interactions attractives ou répulsives entre les atomes qui constituent la pointe nanométrique et les atomes qui composent la surface de l’échantillon qui est analysée. Quand la pointe est à proximité de la surface de l’échantillon, les forces d’interactions entre la pointe et l’échantillon entraînent alors une déviation du levier. La mesure dynamique de la déviation du levier, suivi en temps réel à l’aide d’un laser, permet à la fois de déterminer le parcours exact de la pointe en plus de permettre de mesurer les forces d’interactions entre la pointe et la surface de l’échantillon.

À l’origine développée pour la recherche dans le domaine de Physique fondamentale (observations des atomes), les domaines d’applications de la microscopie à force atomique sont dorénavant plus variés : utiliser pour déplacer les atomes, mesurer la rugosité du sol martien, ou encore
développer des revêtements de surface novateurs. Aujourd’hui, la microscopie à force atomique peut être employée pour mesurer les propriétés des surfaces et interfaces du Vivant : les particules vivantes et objets biologiques d’intérêts majeurs pour les domaines de la Santé, de l’Énergie, de l’Environnement et de l’Agroalimentaire tels que les cellules, bactéries, microalgues, virus, protéines, ADN sont observés et leurs propriétés mesurées grâce à cette technologie.
La microscopie à force atomique est l’unique technologie disponible qui permet d’aller au contact de la surface des échantillons biologiques avec une résolution à l’échelle de la particule unique. Cependant, la mise au point de manipulations et d’analyses dans ces dimensions de mesure demande un savoir-faire et une expertise scientifique rare en plus de demander un temps de développement conséquent.

L’AFM : une approche unique pour l’observation du Vivant

La microscopie à force atomique est l’une des rares techniques d’observation et de caractérisation du Vivant qui peut être utilisée en conditions physiologiques et contrôlées : en effet, l’échantillon est vivant pendant toute la durée de l’analyse – ce qui est à la fois unique pour des observations à cette résolution, mais qui constitue un véritable défi à la fois technologique et scientifique pour la mise en forme des protocoles de mesures. Par exemple, dans le cas d’une cellule cardiaque vivante dont les propriétés sont étudiées par microscopie à force atomique, celle-ci doit être maintenue dans un milieu liquide à 37°C et 5% de CO² pendant toute la durée de l’observation alors que la pointe AFM est en contact avec la surface de la membrane de la cellule.

En fonction des besoins, les acquisitions sont réalisées en conditions physiologiques, dans un environnement contrôlé ou dans un milieu de culture. Une des étapes déterminantes des protocoles est l’étape d’immobilisation de l’échantillon sur un matériau support, étape qui constitue un véritable challenge pour l’application de la microscopie à force atomique à l’étude de la biologie et du vivant.

Les cellules vivantes sont constamment exposées à des stimuli mécaniques provenant de leur environnement et de la matrice extracellulaire environnante ou de cellules voisines. Les processus moléculaires intracellulaires par lesquels ces signaux physiques sont transformés en une réponse biologique sont collectivement appelés mécanotransduction, et sont d’une importance fondamentale pour aider la cellule à s’adapter aux modifications dynamiques continues de son environnement, de son écosystème. Au laboratoire, la mesure des différents paramètres mécaniques à la surface de la
cellule apporte des informations uniques sur la réaction du corps biologique à un stimulus ou un environnement déterminé.

Les études des mécanismes de mécanotransduction et d’indentations permettent d’obtenir des données ayant une perspective d’applications dans la pharmaceutique et la santé, ainsi que les biotechnologies et les nanotechnologies plus largement. Les paramètres mécanobiologiques peuvent être étudiés dynamiquement et précisent la rugosité, l’élasticité, l’adhésion, la viscosité, l’hydrophobicité des surfaces ou d’une interface. Ces données offrent une meilleure compréhension des processus biologiques et permettent de développer des approches innovantes pour l’émergence de nouvelles technologies, de nouveaux concepts et produits.