Projet ANR-10-BLAN-1527 – UshortNT : Nanotubes de carbone ultra-courts : des nano-marqueurs proche-infrarouges pour le suivi de biomolécules dans des tissus vivants du cerveau.
Programme : Sciences de la vie, de la santé et des écosystèmes :  Physique, chimie du vivant et innovations biotechnologiques (Blanc SVSE 5)
Année de financement : 2010
Coordinateur du projet : Monsieur Laurent COGNET (CNRS - DELEGATION  AQUITAINE LIMOUSIN)
Partenaires : Laboratoire Ondes et Matière d'Aquitaine; Centre de Recherche Paul Pascal; Physiologie Cellulaire de la Synapse
Montant : 605238.0 euros
Durée : 48 mois
Résumé : Des nano-sondes optiques pour l’étude des molécules dans des tissus vivants du cerveau.Il s’agira de réaliser pour la première fois la détection par microscopie optique et le suivi de molécules individuelles dans des tissus de cerveau vivants épais à l’aide de nanotubes de carbone ultracourts. Cette nouvelle approche pourra donc être transposée à de nombreuses questions biologiques.
Détection de molécules individuelles dans des échantillons neuronaux épais.Ces dernières années, l'observation de molécules individuelles a révolutionné´ la microscopie optique. Ce domaine est promis à jouer un rôle décisif dans la compréhension de la biologie à l'échelle nanométrique. La microscopie de molécules individuelles souffre pourtant de limitations sérieuses qui interdisent actuellement de détecter des molécules individuelles dans des échantillons épais vivants en raison de l’importance de l’autofluorescence cellulaire dans le domaine visible. Pour ce faire, il est nécessaire de disposer de petits nanomarqueurs ayant des réponses optiques dans le proche infrarouge où l’interaction de la lumière avec la matière vivante est minimale. Nous proposons dans ce projet de réaliser de tels nanomarqueurs à l’aide de nanotubes de carbone. Nous avons montré ces dernières années qu’une application importante de la microscopie de molécules unique concerne l’étude du trafic des récepteurs de neurotransmetteurs entre sous-compartiments cellulaires. Ce trafic joue un rôle déterminant dans la physiologie neuronale, et plus particulièrement pour la plasticité´ synaptique. Or, souffrant des limitations évoquées plus haut, les approches actuelles sont inappropriées pour étudier les molécules dans des échantillons épais. Or, la dynamique des récepteurs dans des réseaux de neurones intacts (comme des tranches de cerveaux) reste à ce jour pratiquement inconnue. La retombée biologique principale de ce projet concernera donc la neurobiologie, mais plus généralement, il s’agira de réaliser pour la première fois la détection et le suivi de molécules individuelles dans des tissus vivants épais à l’aide de nanotubes de carbone ultracourts. Cette nouvelle approche pourra donc être transposée à de nombreuses questions biologiques. 
Microscopies de nanotubes de carbone uniques ultracourts biofonctionnalisésLes nanotubes de carbone ont des propriétés optiques uniques pour la microscopie de molécules uniques. Nous proposons de développer des stratégies de production et de bio-fonctionnalisation de nanotubes ultracourts, de mettre au point des méthodes de microscopie proche infrarouge pour leur suivi dynamique et de les utiliser pour l’étude de l’organisation spatio-temporelle des récepteurs de neurotransmetteurs dans des neurones.
Résumé de la soumission : L'observation de molécules individuelles a révolutionné ces dernières années la microscopie optique. Ce domaine est promis à jouer un rôle décisif dans la compréhension de la biologie à l'échelle nanométrique. La microscopie de molécules individuelles en champ lointain est généralement basée sur la fluorescence mais souffre de limitations sérieuses comme la faible durée de vie des fluorophores ou l’encombrement stérique des nanoparticules, mais aussi la difficulté de détecter les trajectoires des nano-objets en 3D et l’impossibilité actuelle de détecter des molécules individuelles dans des échantillons épais vivants en raison de l’importance de l’autofluorescence cellulaire dans le domaine visible.	Dans ce contexte, la détection tridimensionnelle de molécules individuelles dans des tissus vivants nécessite de disposer de nanomarqueurs petits ayant des réponses optiques dans le proche infrarouge (IR) où l’interaction de la lumière avec la matière vivante est minimale.Les nanotubes de carbone monoparois (NTs), dont le diamètre typique est de l’ordre du nanomètre, disposent de résonance optiques dans le proche IR. Leur luminescence intense permet de les détecter au niveau de l’objet individuel et leurs propriétés d’absorption remarquables nous ont permis récemment de les détecter avec une méthode de microscopie d’absorption ultrasensible basée sur l’effet photothermique. Bien que disposant de propriétés optiques inégalées, leur application en tant que nanomarqueurs furtifs reste problématique à cause de leur grande dimension le long de leur axe (>100nm).Tout récemment, des NTs ultracourts (<10nm) (UshortNTs) ont été obtenus à l’aide de méthodes physico-chimiques classiques à partir de NTs standards et leur luminescence d’ensemble dans le proche IR a été observé. Nous croyons fortement que ces UshortNTs sont des nanomarqueurs prometteurs pour réaliser la détection 3D de molécules uniques dans des tissus vivants. Mais cela nécessitera le développement de nouvelles méthodes de microscopies et de physico-chimie des nanotubes qui soient dédiées à cette application.Dans ce projet, nous proposons donc de développer de nouvelles stratégies de microscopie proche infrarouge pour le suivi dynamique tridimensionnel de UshortNTs (basées sur la luminescence et l’absorption photothermique), de les bio-fonctionnaliser et de les utiliser pour l’étude de l’organisation spatio-temporelle des récepteurs de neurotransmetteurs dans des tranches de cerveau. En effet, une application importante de la microscopie de molécules unique concerne l’étude du trafic des récepteurs de neurotransmetteurs entre sous-compartiments cellulaires. Ce trafic joue un rôle déterminant dans la physiologie neuronale, et plus particulièrement pour la plasticité synaptique. Nous avons montré ces dernières années la puissance de la microcopie de molécules uniques pour élucider la complexité et le rôle clef des processus de diffusion membranaire des récepteurs dans les synapses de neurones. Or, souffrant des limitations évoquées plus haut, les approches actuelles sont inappropriées pour fournir précisément les trajectoires tridimensionnelles de récepteurs uniques et tout particulièrement dans des tranches de cerveaux. Cette incapacité est d’autant plus pénalisante que les flux de récepteurs dans et hors des synapses proviennent de leur diffusion latérale membranaire mais aussi de processus d’endo/exocytose et de trafic intracellulaire. De plus, la dynamique des récepteurs dans des réseaux de neurones intacts (comme des tranches de cerveaux) reste à ce jour pratiquement inconnue.La retombée biologique principale de ce projet concernera la neurobiologie, mais plus généralement, il s’agira de réaliser pour la première fois la détection et le suivi de molécules individuelles dans des tissus vivants épais. Cette nouvelle approche pourra donc être transposée à de nombreuses questions biologiques importantes. La cytotoxicité des UshortNTs sera également étudiée.
Publications et brevets : Nous avons étudié les propriétés de luminescence de nanotubes de carbone vides et emplis d’eau au niveau du tube unique et montré que le remplissage de l’eau affecte sensiblement leurs propriétés de luminescence (publié dans ACS Nano en 2012).