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Accueil du site > Culture & Loisirs > Étonnant > La technique Strange and Funky de 2010

La technique Strange and Funky de 2010

Roulement de tambours…

Il s’agit de l’Optogénétique selon le journal scientifique Nature Methods. Et le moins qu’on puisse dire, c’est qu’ils se sont pas fourrés le doigt dans l’œil en la choisissant ! Ils se sont même démerdés pour nous concocter une superbe vidéo, simple à comprendre, efficace et impressionnante mais sans tomber dans le sensationnel, bref, un bijou de pédagogie :

 

Transcription :

Des chercheurs peuvent activer des cellules dans le cerveau de cette souris, simplement en allumant la lumière. La lumière active des cellules du cerveau qui font que l’animal tourne en rond. Ce sympathique tour de magie représente également un outil scientifique important. Utiliser la lumière pour comprendre le comportement cellulaire nous renseigne sur de très nombreuses questions, sur la manière dont on se réveille ou encore notre capacité à apprendre.

Ceci est l’optogénétique.

 

Optogénétique

 

Tout a commencé avec des algues.

 

Chlamydomonas reinhardtii Chlamydomonas reinhardtii

 

En 2002, des chercheurs ont découvert que la protéine responsable du comportement des algues verte consistant à se rapprocher ou s’éloigner de la lumière, est un canal sensible à la lumière. La lumière bleue oblige le canal à s’ouvrir, et des ions positifs peuvent ainsi rentrer à l’intérieur de la cellule, à l’instar du flux d’ions positifs qui entraine l’activité d’une cellule nerveuse.

 

Les outils de l'optogénétique

 

De nombreux scientifiques comprirent vite le potentiel de ces algo-protéines. Ils réalisèrent que s’ils étaient capables de faire fonctionner ces canaux de type rhodopsin dans des cellules nerveuse de mammifères, ils auraient une manière de contrôler très précisément l’activité de ces cellules dans le cerveau. Dans de nombreuses applications, cette méthode serait plus efficace que des drogues qui fonctionnent plus lentement, et plus efficace que des stimulations électriques sur le cerveau, qui sont moins précises.

Faire rentrer une protéine d’algue dans un cerveau de souris, par exemple, requiert un peu d’ingénierie génétique. D’abord, on prélève le gène codant pour la protéine, mais également un autre morceau d’ADN appelé promoteur, et on les injecte dans un virus. Quand le virus est introduit dans le cerveau de la souris, il infecte des neurones et introduit le gène. Un sous-ensemble pré-déterminé de neurones aura la machinerie protéique nécessaire à l’activation du promoteur. Et alors uniquement dans ces cellules, la protéine d’algue sera exprimé et le canal inséré dans leur membrane. Pour activer la protéine, tout ce qu’il faut c’est de la lumière qui sera acheminée par un câble de fibre optique.

C’est la possibilité de cibler des neurones spécifiques dans un animal vivant qui rend cette technique si puissante. Et les canaux-rhodopsin ne sont pas les seules protéines qui existent dans la boite à outil de l’optogénétique.

 

Photostimulation ciblée, Lima and Wiesenbock, 2005

 

Chez cette mouche, un système différent de protéines sensibles à la lumière est utilisé pour cibler seulement deux neurones parmi 200 000 ! Ces 2 neurones gouvernent le comportement de fuite : le réflexe qui fait que la mouche fuit quand vous essayez de l’écraser. Ici, c’est un flash de lumière qui active ces neurones, ce qui fait bondir la mouche et étendre ses ailes. Elle ne peut pas s’envoler parce qu’elle ait enfermée dans une boite de Pétri. (Voici ici toutes les autres vidéos publiées dans Cell)

 

Zhang et al., 2007

 

Tout autant qu’ils voulaient activer des neurones, avec de la lumière, les chercheurs voulaient également les inhiber. Désactiver un neurone ne nécessite que l’emploi d’un autre type de protéine sensible à la lumière, comme l’Halo-rhodopsin, et un lumière d’une autre couleur.

Regardez comment la gymnastique de ce ver est interrompue quand une lumière jaune est allumée. La lumière active l’Halo-rhodopsin, entrainant un flux d’ions négatifs qui inhibe les moto-neurones du ver, et l’empêche de nager (tous les films des différentes expériences tentées sur le nématode C. elegans, ici)

 

Et les chercheurs en neuroscience ne sont pas les seuls à utiliser l’optogénétique. On peut tout autant utiliser cette technique pour activer et désactiver des neurones, que pour contrôler d’autres processus dans des animaux vivants, mais aussi dans des cultures cellulaires.

 

Cardomyocite transgénique exprimant Channelrhodopsin2

 

Ces cellules de cœur de souris ont été conçues pour battre au rythme de flashs de lumière.

 

Cellule de rein transgénique avant et après illumination, Wu et al., 2009

 

Et ici, une protéine sensible à la lumière fait que cette cellule de peau suit le laser.

Les applications sont infinies. Des chercheurs ont déjà utilisé la lumière pour transformer la marche tremblante de rats atteints de Parkinson, en course assurée, et ont montré quels sont les neurones activés au moment où une souris se réveille.

L’optogénétique jette une lumière dans tous les domaines, du comportement animal jusqu’aux interactions de protéines à l’intérieur de cellules.

C’est pourquoi Nature Methods a sélectionné l’Optogénétique comme méthode de l’année 2010.

 

Optogenetics: Method of the Year 2010

 

Liens :

Article Scientific American

 

Références :

Nagel G, Ollig D, Fuhrmann M, Kateriya S, Musti AM, Bamberg E, Hegemann P : Channelrhodopsin-1 : a light-gated proton channel in green algae. Science 2002, 296:2395-2398.

Berthold P, Tsunoda SP, Ernst OP, Mages W, Gradmann D, Hegemann P : Channelrhodopsin-1 initiates phototaxis and photophobic responses in chlamydomonas by immediate light-induced depolarization. Plant Cell 2008, 20:1665-1677.

Zhang F, Gradinaru V, Adamantidis AR, Durand R, Airan RD, de Lecea L, Deisseroth K : Optogenetic interrogation of neural circuits : technology for probing mammalian brain structures. Nat Protoc 2010, 5:439-456.

Gradinaru V, Thompson KR, Zhang F, Mogri M, Kay K, Schneider MB, Deisseroth K. Targeting and readout strategies for fast optical neural control in vitro and in vivo. J Neurosci. 2007 Dec 26 ;27(52):14231-8. [ PDF | Cover Image | Thy-1 ::ChR2-EYFP Mouse | Wildtype Mouse Control]

Lima SQ, Miesenbock G : Remote control of behavior through genetically targeted photostimulation of neurons. Cell 2005, 121:141-152.

Zhang F, Wang LP, Brauner M, Liewald JF, Kay K, Watzke N, Wood PH, Bamberg E, Nagel G, Gottschalk A, Deisseroth K. Multimodal fast optical interrogation of neural circuitry. Nature. 2007 Apr 5 ;446:633-39. [ PDF | N&V | 2007 Highlight ]

Bruegmann T, Malan D, Hesse M, Beiert T, Fuegemann CJ, Fleischmann BK, Sasse P : Optogenetic control of heart muscle in vitro and in vivo. Nat Methods 2010, 7:897-900.

Wu YI, Frey D, Lungu OI, Jaehrig A, Schlichting I, Kuhlman B, Hahn KM : A genetically encoded photoactivatable Rac controls the motility of living cells. Nature 2009, 461:104-108.


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12 réactions à cet article    


  • Agoravix 11 janvier 2011 11:22

    Heureusement que nos cranes ne sont pas transparents.

    En tout cas, avec cette methode, l’homme bionique n’est pas loin, avec l’espoir de rendre la vue aux aveugles.

    Tres bon sujet.


    • Triodus Triodus 11 janvier 2011 11:24

      Lui, il a un tête translucide..

      @Taupo : Encore un bon article, merci !



    • jako jako 11 janvier 2011 13:46

      Passionnant merci


      • Ronald Thatcher rienafoutiste 11 janvier 2011 13:50

        ça doit bien pouvoir servir à quelque chose, à part torturer des souris...


        • jako jako 11 janvier 2011 14:46

          Cela devrait pouvoir servir à créer des interfaces entre des implants tronic et le bio que nous sommes je pense


        • Taupo Taupo 11 janvier 2011 18:51

          Il s’agit d’une technique, et en tant que telle, peut avoir de très nombreuses applications (à l’instar du magnétisme qu’on peut utiliser pour stocker des données ou coller des trucs sur le frigidaire...). Pour n’en citer que quelques unes, en neuroscience, elle confère la possibilité d’étudier le système nerveux de manière peu invasive, et a déjà des applications dans l’étude de la maladie de Parkinson. Ainsi, des chercheurs ont déterminé quelles étaient les neurones susceptibles de contrer les effets de Parkinson dans le cerveau d’une souris, et permettra d’identifier à terme leurs homologues dans le cerveau humain.
          Mais l’utilisation de l’optogénétique dans des cultures cellulaires pourra avoir des applications totalement différentes voire même aider à développer de nouvelles techniques de lutte contre le cancer par exemple.


        • ffi ffi 11 janvier 2011 17:22

          Les protéines canaux commandées par la lumière (onde électromagnétique) ?

          C’est ni plus ni moins que la théorie de Jacques Benveniste, (déformée dans les médias sous l’appellation « mémoire de l’eau »)
          ------------------------------------------------------------------------------------------------------------

          La biologie numérique de Jacques Benveniste

          Suite à l’observation de la dégranulation des basophiles par de hautes dilutions d’anticorps anti-IgE, Jacques Benveniste avait émis l’hypothèse que l’eau pouvait garder une mémoire de molécules à effets biologiques. Par analogie avec un appareil prétendant détecter des ondes électromagnétiques émises par la matière (bio-résonance selon Mora), il fit construire un dispositif relativement simple consistant en une bobine de captation et une bobine d’émission reliées par un amplificateur à basse fréquences (20-20000 Hz) tel qu’utilisé dans les téléphones.

          Au moyen de cet appareil, il prétendit pouvoir transmettre un signal biologique spécifique, émis par exemple par certains médicaments et détecté par divers systèmes biologiques tels que les basophiles, le cœur isolé de cobaye ou la coagulation du fibrinogène. Comme ces travaux, à une exception près, n’ont jamais fait l’objet de publications détaillées, mais existent uniquement sous forme de résumés, et qu’ils n’ont pas été reproduits par d’autres équipes, il n’est guère possible d’exprimer une opinion objective. Une tentative approfondie de reproduction par une équipe américaine, avec la collaboration directe de Benveniste, a totalement échoué. Mais une autre équipe américaine, utilisant une technologie électronique différente a déposé des brevets prétendant également à une transmission électromagnétique d’informations biologiques, sans toutefois que ces prétentions aient été encore confirmées de manière indépendante. L’objectivité scientifique oblige à conclure que l’existence postulée d’une biologie numérique parait plutôt improbable et n’est certainement pas démontrée scientifiquement à l’heure actuelle, mais que le dossier reste encore ouvert.

          voir http://www.pseudo-sciences.org/spip.php?article1208#nh8

          Une confirmation de plus pour cette hypothèse.


          • Taupo Taupo 11 janvier 2011 18:43

            En quoi, le fait que la conformation des canaux rhodopsin est modifiée par des ondes électromagnétique confirme l’hypothèse de la mémoire de l’eau ?
            Le fait que la lumière et d’autres ondes électromagnétiques interagissent avec des protéines en changeant leur conformation est à la base des mécanismes de photosynthèse, de perception lumineuse (la rhodopsin est une protéine similaire à l’opsine que l’on trouve dans les cellules photoréceptrices des yeux) et même des mécanismes circadiens (la perception de différents cycles temporels influants sur notre comportement, comme le sommeil).
            Je pense qu’avant de parler de confirmation d’une quelconque hypothèse, il faut définir sérieusement l’hypothèse testée.


          • ffi ffi 11 janvier 2011 22:11

            L’hypothèse a été définie rigoureusement par Benveniste :

            Il s’agissait de passer d’un modèle mécaniste de type clé-serrure à un modèle électromagnétique dans les interactions entre molécules biologiques.

            Ce qui, entre parenthèse, va de soi en physique/chimie, puisque que les interactions physiques / chimiques sont, au niveau microscopique, issues des interactions électroniques.

            L’appellation « mémoire de l’eau » est issu d’un trait d’ironie d’un journaliste de science et vie (Gérald Messadié), qui n’a pas plus creusé que ça l’hypothèse de Benveniste.


          • ffi ffi 11 janvier 2011 22:17

            PS : c’était expliqué très clairement sur son site digibio.com, mais ce site a disparu en 2008/2009


          • ffi ffi 11 janvier 2011 22:40

            PS(2) :
            J’ai retrouvé une copie (en anglais) .

            UNDERSTANDING DIGITAL BIOLOGY

            Explaining digital biology is impossible without explaining its principle. The purpose of this text is not to report experimental results. Rather, it tries to explain to laymen, in the simplest terms, this radically new approach to biology. We hope it will be useful to all, scientists or not, who find it hard to « make the leap ». Indeed, is it possible to believe that the specific activity of biologically-active molecules (e.g. histamine, caffeine, nicotine, adrenalin), not to mention the immunological signature of a virus or bacterium can be recorded and digitized using a computer sound card, just like an ordinary sound ? Imagine the perplexity of Archimedes confronted with a telephone, and being told that by using it he could be heard on the other side of the world, were we not to explain the nature of sound waves or their translation into electromagnetism.

            Life depends on signals exchanged among molecules. For example, when you get angry, adrenalin « tells » its receptor, and it alone (as a faithful molecule, it talks to no other) to make your heart beat faster, to contract superficial blood vessels, etc.. In biology, the words « molecular signal » are used very often. Yet, if you ask even the most eminent biologists what the physical nature of this signal is, they seem not even to understand the question, and stare at you wide-eyed. In fact, they’ve cooked up a rigorously Cartesian physics all their own, as far removed as possible from the realities of contemporary physics, according to which simple contact (Descarte’s laws of impact, quickly disproved by Huygens) between two coalescent structures creates energy, thus constituting an exchange of information. For many years, I believed and recited this catechism without realizing its absurdity, just as mankind did not realize the absurdity of the belief that the sun circles the earth.

            The truth, based on facts, is very simple. It does not require any « collapse of the physical or chemical worlds. » That molecules vibrate, we have known for decades. Every atom of every molecule and every intermolecular bond-the bridge that links the atoms-emits a group of specific frequencies. Specific frequencies of simple or complex molecules are detected at distances of billions of light-years, thanks to radio-telescopes. Biophysicists describe these frequencies as an essential physical characteristic of matter, but biologists do not consider that electromagnetic waves can play a role in molecular functions themselves. We cannot find the words « frequency » or « signal » (in the physical sense of the term) in any treatise on molecular interactions in biology, not to speak of the term « electromagnetic, » use of which would be - at least in France - a cause for excommunication of any offending biologist by the scientific Papal Office...

            Like Archimedes, I would have liked to have had a brilliant idea in my bathtub : "Eureka, the vibrations of molecules don’t exist for them to dance the salsa at a Saturday night ball ; vibrations are the tools of their trade, which allow them to send instructions to the next molecule down the line in the cascade of events which govern biological functions, and probably, to a large extent, chemical ones as well." Unfortunately, this was not the case. I followed a purely experimental approach. After eight years of research, around 1991, my experiments showed that we could transfer specific molecular signals by using an amplifier and electromagnetic coils. In July, 1995, I recorded and replayed these signals using a multimedia computer. A computer sound card only records frequencies up to about 20,000 Hz. In the course of several thousand experiments, we have led receptors (specific to simple or complex molecules) to « believe » that they are in the presence of their favorite molecules by playing the recorded frequencies of those molecules. In order to arrive at this result, two operations are necessary : 1) record the activity of the substance on a computer ; 2) « replay » it to a biological system. sensitive to the same substance. Therefore, there is every reason to think that when a molecule itself is in the presence of its receptor, it does the same thing : it emits frequencies which the receptor is capable of recognizing.

            Which means that a molecular signal can be efficiently represented by a spectrum of frequencies between 20Hz and 20,000 Hz, the same range as the human hearing or music. For several hundred thousand years, human beings have been relating sound frequencies to a biological mechanism : the emotions. Composers of background music for supermarkets or elevators are practicing neuropsychology without knowing it. High-pitched rapid sounds engender lightness of spirit, high-pitched slow sounds, sweetness, sounds both deep and rapid awaken the fighting spirit, while deep, slow sounds invoke serious emotions, sadness and mourning. These are fundamentally cerebral physico-chemical phenomena, triggered by defined frequencies. We do nothing more than this when we transmit pre-recorded molecular activities to biological systems.

            Therefore, one may hypothesize that biological systems function like radio sets, by coresonance. If you tune a receiver to 92.6 MHz, you tune in Radio-This, because the receiver and the transmitter vibrate at the same frequency. If we change the setting a little to, say, 92.7, we no longer receive Radio-This, but Radio-That instead.

            These advances in understanding the inmost mechanism of molecular recognition and signaling do not overturn the science of biology, and even less those of physics and chemistry. We have taken nothing away from classic descriptions, but only taken a step forward by adding to the present body of knowledge. This is the normal course of scientific progress, and there is no reason for it to provoke imprecations and anathema.

            The electromagnetic nature of the molecular signal sheds light on many shadowy areas of biology. We can now understand how millions of biological molecules can communicate (at the speed of light), each with its own corresponding molecule, and it alone, the basic requirement for the functioning of biological systems...and why minute chemical modifications produce considerable functional consequences, something « structural » biologists are at a loss to explain. In deciding that only structures can have an action, biologists find themselves in a pre-Newtonian world where the movement of celestial bodies is described by Ptolemy in terms of epicycles. Hence the inability of contemporary biology to provide answers to the major pathologies of the end of this century (my article in Le Monde, May 22, 1996, which has not been challenged to date). The passage from the rigid biology of structures to one of information traveling at the speed of light can be accomplished without a « revolution. » Contrary to what is stupidly claimed by scientific gossips, recording the activity of molecules no more implies denying their existence (after all, molecule-specific electromagnetic messages must come from specific molecules) than it does denying the law of mass action, according to which the effect is directly proportional to the number of molecules. One might as well expect a singer to disappear by recording his voice ! In other words, we eliminate neither the light-switch nor the light bulb ; we only say that a wire with a current of electrons connects the two. We are not in another, electromagnetic world which we are substituting for the old molecular world. We capture, copy, transfer-and soon will modify-electromagnetic signals emitted by molecules in the course of their normal functioning.

            What about water in all this ? It is the vehicle for information. This cannot be avoided, since there are 10,000 water molecules in the human body for every molecule of protein. There is no problem with this either ; a submarine communicates with its base via low-frequency electromagnetic waves, not with megahertz frequencies, which do not penetrate water. We have recently completed very simple experiments showing that a molecule at a normally active concentration does not work in a medium devoid of water. Adding water is not enough to restore activity ; it must be « informed. » In other words, when molecules trigger a biological effect, they are not directly transmitting the signal. The final job is done by perimolecular water which relays and possibly amplifies the signal. Sound is not directly created by a compact disc. The latter carries data which is audible only after being amplified by an electronic system.

            The « memory of water ? » It is more mysterious, but no more so than the fact that a compound formed from two gases should be liquid at normal temperature and pressure, and dilate as it cools. Coherent domains with laser-like properties have been described in water (E. del Giudice, G. Preparata, G. Vitiello (1988) ’Water as a free electric dipole laser’, Phys. Rev. Lett. 61:1085-1088). More recently, a unique type of stable (non-melting) ice crystal that maintains an electrical field has been identified and characterized in water. Truly, unemployment should not be a worry for physicists ! Nonetheless, water is not our subject of investigation. What interests us is not the nature of the magnetic medium and how it functions, but the message recorded in it, which can be copied and transmitted. In the light of our experimental results, we are confident in our belief that we have elucidated the physical nature of the molecular signal. The principle is as simple as exploding a mixture of air and gasoline, but the consequences are enormous.

            We present them in detail elsewhere. Here is a summary :

            At the present time, the only way to identify a molecule is to carry a sample, most often obtained invasively or even destructively, to a laboratory. With the digital method, we dispose of a signal which can be instantly transmitted and analyzed at the other end of the world by classic means of telecommunication. Using this method, the detection of toxic substances, proteins (antigens, antibodies, prions) or molecular complexes (parasites, bacteria, viruses, abnormal cells) should become possible without physical sampling. It is noteworthy that no in vivo detection methods of prions presently exists, with well-known epidemiological and economic consequences. The detection of antigens and antibodies, just to mention this field, represents a considerable share of the activity of clinical biology laboratoires. Moreover, some results seem to indicate that these methods should be applicable to the chemical industry and to environmental surveillance, e.g. to detecting, at a distance, micro-organisms or products from genetically modified plants.

            Completion of these projects would have immense consequences on medical diagnostic procedures and the agro-food industry, with huge technological and commercial impact.

            A final question : why are scientists so opposed to the evolution of science ? Is it to defend their piece of turf ? Why, in the name of intangible dogmas, which the history of science has shown to be so often ephemeral, do they reject advances which represent progress for their discipline ? Do these advances appear to threaten their all-too-fragile certitudes ? Such questions are not just philosophical, because these people are respected counselors, advisers to political and industrial decision-makers. They orient-most often by hampering-new applications flowing from scientific progress. I don’t know where these mental blocks come from, but they are, in theory at least, irreconcilable with a scientist’s function. Here is a quote (translated from the French edition of Encyclopedia Universalis, taken from the article on Mechanism) which shows, alas, that those blocks are eternal :

            We have a good example of the dilemma of « mechanism » in the Cartesians’ opposition to the Newtonian world-view, which they felt completely called into question the new science and pushed scientific thinking back to a level beneath what « mechanism » had already achieved. The problem is, for Descartes, that movement is only possible if there is contact and impulsive force ; action at a distance-attraction, as Fontenelle was to say-can only mean a return to a physics of sympathetic motion and occult attributes...In this way, they do not engage Newton in a scientific controversy ; they disqualify him for obscurantism. Thus the French scientific community resisted Newtonian theory for a long time, or would prefer to ignore it...But « mechanism, » which is an obstacle to scientific progress, remains blocked. No doubt, Newton is less an opponent of « mechanism » than he is the proposer, by provoking a total break, of another model of physical mechanics in which movements other than those produced by impulsion become possible.

            Four centuries later, we hear the same words : « there must be molecules » (François Jacob)-that is, contact, forceful impulsion-according to our sages of science, still frozen in the Cartesian mechanistic dogma : the same denial of action at a distance, and the same accusations of a return to obscurantism.

            Descartes versus Newton. We’re in good company...

            January 8, 1998 ; mod. June 14, 1998

            J. Benveniste

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