Un regard à l'intérieur de MIT.nano

Deux étages souterrains dans le plus récent bâtiment du MIT, deux post-doctorants en biologie et un étudiant diplômé sont réunis autour d'un écran d'ordinateur qui affiche un fond gris parsemé de petits gribouillis et de quelques taches sombres. Les gribouillis sont des brins diaphanes de protéines. Les gouttes sont de minuscules agrégats de glace qui se sont formés lorsque les scientifiques ont gelé les protéines pour révéler des secrets que leurs brins cachent depuis des centaines de millions d'années.

Les brins de protéines mesurent moins de 50 nanomètres de hauteur et de largeur. Ils apparaissent à l'écran parce qu'ils sont sondés par un cryo-EM - un microscope électronique cryogénique - dans la pièce voisine.

Arriver à ce point nécessite un peu de chance, car les protéines peuvent être obscurcies ou complètement perdues lors du processus de congélation. Les chercheurs peuvent passer des journées entières dans cette pièce du sous-sol sans que pratiquement aucune image utilisable ne s'affiche à l'écran.

Maintenant que les scientifiques ont eu la chance de voir autant de gribouillis, leur prochaine astuce consiste à repérer les quelques-uns qui méritent d'être étudiés de plus près. Dans les cellules vivantes, ces brins de protéines forment une forme en Y. Ce Y est un élément crucial de ce qu'on appelle le pore nucléaire, qui détermine, d'une manière que nous ne comprenons toujours pas, ce qui peut entrer et sortir du noyau d'une cellule. Cependant, les protéines ont rarement cette forme en Y à l'écran. Juste avant qu'ils ne soient enfermés dans la couche de glace qui leur permet d'être scannés par le cryo-EM, les bras et la tige de chaque Y ont tendance à se noyer. Un bras peut être plié vers l'arrière tandis que l'autre pend sur le côté. Plusieurs Y ou des morceaux d'entre eux s'agglutinent souvent.

Donc, aujourd'hui, l'étudiante diplômée Sarah Nordeen en cherche patiemment un qui se présente sous la forme d'un Y définitivement propre et clair.

J'en vois une, une jolie, dit-elle. Anthony Schuller, un biologiste structurel postdoctoral qui utilise l'ordinateur, zoome un peu plus près du gribouillis qu'elle indique. En quelques clics de souris, il dit au cryo-EM de capturer des images en gros plan que Nordeen pourra analyser plus tard. Si elle peut obtenir suffisamment de ces Y bien conservés, elle pourra éventuellement les combiner pour produire un rendu 3D de cette structure, ce qui l'aidera, ainsi que d'autres scientifiques, à mieux comprendre comment il sert de gardien à l'intérieur des cellules.

Le professeur de biologie Thomas Schwartz a dirigé les efforts pour obtenir les cryoEM du MIT, qui permettent aux chercheurs de voir des images inférieures à 3 angströms. Bob O'Connor

C'est la vie au MIT.nano, une installation qui a ouvert ses portes l'automne dernier à l'ombre du Grand Dôme. Avec deux machines cryo-EM et d'autres équipements qui seront installés dans les années à venir, les scientifiques d'un large éventail de disciplines modéliseront, construiront et répareront des objets à l'échelle atomique et moléculaire.

Certains scientifiques utiliseront MIT.nano pour développer des qubits plus robustes pour les ordinateurs quantiques. D'autres peuvent modifier la composition moléculaire des anodes et des cathodes afin qu'elles ne s'effilochent pas, ce qui prolonge la durée de vie des batteries. D'autres groupes encore espèrent créer des matériaux optimisés pour des fonctions spécifiques en adaptant leurs structures moléculaires pour faire des choses telles que conduire l'électricité plus efficacement, créer des couleurs plus brillantes sur les écrans d'ordinateur ou distribuer des médicaments ciblés dans la circulation sanguine. MIT.nano aura même un programme d'arts à l'échelle nanométrique. Les artistes peuvent utiliser des matériaux générés par les chercheurs du MIT.nano ou tirer parti des outils du bâtiment pour exercer un contrôle précis sur la façon dont les objets scintillent, se sentent ou sentent.

Toutes ces applications sont possibles grâce à de meilleures techniques d'imagerie des matériaux au niveau atomique. Nous créons de nouvelles façons de voir, puis nous voyons de nouvelles façons de faire, a déclaré le président L. Rafael Reif lors de la cérémonie de lancement du MIT.nano en octobre.

Pour souligner l'aspect interdisciplinaire de tout cela, aucune faculté n'aura de bureaux dans le bâtiment MIT.nano de 400 millions de dollars; seules quelques dizaines d'employés qui superviseront l'équipement y seront basés. Les microscopes, les salles blanches et les installations de fabrication sont destinés à être utilisés par des personnes de tous les départements du campus. L'espace dédié signifie que de nouveaux équipements n'auront pas besoin d'être calés dans des laboratoires déjà remplis, et plusieurs versions de machines critiques peuvent être exécutées simultanément sans risque de contamination croisée, augmentant ainsi la capacité de recherche. Cela signifie également que les chercheurs auront accès à un équipement de pointe qui serait trop coûteux à faire fonctionner et à entretenir dans leurs propres laboratoires, et qui ne restera pas inactif lorsqu'ils ne l'utiliseront pas.

Sarah Nordeen, étudiante diplômée en biologie, a appliqué un petit échantillon de complexe de pores nucléaires Y de levure sur une grille de support d'échantillon de trois millimètres et a congelé les protéines dans une couche de glace vitreuse pour une analyse cryo-EM. Bob O'Connor

Regarder les protéines

Pendant des mois après son ouverture, la majeure partie de MIT.nano était vide. L'installation - le bâtiment 12, juste à côté du couloir infini au cœur du campus - était néanmoins impressionnante, une structure élégante en verre et en acier qui donne sur une passerelle avec des bambous et des bouleaux. (Cela s'appelle la marche de l'improbabilité en l'honneur de la défunte professeure de l'Institut et pionnière de la nano Mildred Dresselhaus, qui a un jour décrit sa propre carrière comme improbable, compte tenu de ses modestes débuts.) Mais si vous regardiez à l'intérieur, vous pourriez voir des salles blanches et des espaces de laboratoire attendant être utilisé. Il faut du temps pour transférer certains des outils les plus avancés du MIT pour l'observation et la construction d'objets à l'échelle nanométrique depuis le bâtiment 39, siège des laboratoires de technologie des microsystèmes, et pour identifier et collecter des fonds pour de nouveaux équipements dans lesquels il vaut la peine d'investir.

Quelques jalons du MIT dans les nanotechnologies

• 1959

  Dans There’s Plenty of Room at the Bottom, une conférence à Caltech, Richard Feynman ’39 se tourne vers les décennies où les scientifiques pourront organiser les atomes comme nous le souhaitons et créer des machines utiles à l’échelle nanométrique.

• 1960

  Le comité de formation en électronique semi-conductrice du MIT est formé.

• 1968

  Microlab ouvre dans le bâtiment 13.

• 1972

  Henry Smith et D.L. Spears suggère d'utiliser la lithographie aux rayons X pour fabriquer des circuits en silicium avec des caractéristiques à l'échelle nanométrique.

• 1984

  Ouverture du MTL (Microsystems Technology Labs) dans le bâtiment 39.

• 1992

  Mildred Dresselhaus et ses collègues prédisent que l'on pourrait fabriquer des nanotubules de carbone semi-conducteurs ou métalliques en modifiant légèrement leur géométrie. Elle commence également à rechercher des moyens d'exploiter l'effet thermoélectrique à l'échelle nanométrique, lançant un nouveau domaine.

• 1993

  Le groupe de Moungi Bawendi invente un moyen de synthétiser des nanocristaux, ou points quantiques.

• 1994

  Robert Langer, ScD '74, et ses collègues utilisent des nanomolécules pour administrer des médicaments plus efficacement et avec moins d'effets secondaires.

• suite ci-dessous

Mis à part les laboratoires de chimie de premier cycle animés au dernier étage du bâtiment, les premières actions au MIT.nano se sont déroulées au sous-sol. Pour permettre aux cryo-EM et aux instruments similaires de fonctionner, le sous-sol dispose de pièces spéciales qui sont protégées des rayonnements électromagnétiques - vous ne pouvez pas obtenir de signal de téléphone portable - et équipées de plates-formes qui annulent les vibrations du bâtiment et du monde extérieur. Une machine cryo-EM coûte environ 5 millions de dollars ; la salle qui l'abrite est de trois ou quatre millions supplémentaires. En avoir deux sur le campus est un changement bienvenu. Avant l'ouverture de MIT.nano, les chercheurs du MIT devaient emprunter du temps sur d'anciens modèles de cryo-EM dans d'autres institutions.

Les scientifiques ont jeté un coup d'œil sur les choses à cette échelle pendant très longtemps. La cristallographie aux rayons X, par exemple, est apparue il y a un siècle. C'est ce qui a permis de déterminer la structure de l'ADN en 1953. La spectroscopie par résonance magnétique nucléaire, qui peut être utilisée pour déterminer la structure atomique d'un composé, et les microscopes électroniques, qui envoient un faisceau d'électrons sur un objet et mesurent leur dispersion, ont été développé dans les années 1950. Dans les années 1980 sont apparus les microscopes à effet tunnel, capables d'imager des atomes individuels dans un matériau conducteur. Les STM fonctionnent en faisant planer une pointe ultra-pointue juste au-dessus de l'échantillon et en mesurant le courant des électrons qui passent de la pointe au matériau. Puis vint le microscope à force atomique, qui a une résolution encore plus élevée. Il peut pousser et stimuler les atomes et les molécules, ainsi que témoigner de l'activité dans des échantillons non conducteurs, y compris des cellules vivantes.

Aussi impressionnantes que soient ces méthodes, elles ont été aveugles à une grande quantité de matériel biologique, dont une grande partie ne se prête pas bien à la cristallisation ou au bombardement de grandes quantités d'énergie. Les cryo-EM, basés sur des percées qui ont remporté le prix Nobel de chimie en 2017, se sont révélés particulièrement utiles pour examiner en détail les substances gluantes à l'intérieur des cellules.

Bien que la technologie cryo-EM ait commencé à émerger dans les années 1980 et 1990, elle s'est considérablement améliorée au cours des dernières années. Les améliorations apportées aux technologies des caméras ont permis aux chercheurs d'améliorer la résolution de cinq à 10 fois : les cryo-EM peuvent désormais résoudre des images inférieures à 3 angströms. (Un angström, un dixième de nanomètre, est le diamètre d'un atome d'hydrogène.) Et l'image devrait devenir beaucoup plus nette d'ici peu. Les limites théoriques de la technique n'ont pas encore été atteintes, et les technologies en cours de développement pourraient limiter les dommages que les faisceaux d'électrons de ces machines infligent aux échantillons examinés, explique Edward Brignole, qui supervise les cryo-EM au MIT.nano.

En fusionnant par ordinateur des images d'environ 1 million de protéines uniques, Sarah Nordeen et Anthony Schuller espèrent obtenir une structure atomique 3D pour le complexe. Le modèle 3D prévu par Nordeen pour le complexe est présenté ici.

La protéine en forme de Y analysée dans MIT.nano est apparue pour la première fois il y a une dizaine d'années, grâce à la cristallographie et à d'autres techniques. C'était un début crucial pour comprendre ce qu'il fait dans le pore nucléaire, puisque la fonction d'une protéine est dictée par les structures qui sont naturellement formées par ses chaînes d'acides aminés. Mais ce n'est qu'avec les outils disponibles aujourd'hui que les scientifiques peuvent voir à la fois le Y lui-même et les connexions qu'il établit avec d'autres sous-unités du pore nucléaire.

Pour avoir une idée de la petite taille de l'échelle ici, considérons que la structure Y est composée d'environ 100 000 atomes seulement, selon Thomas Schwartz, le biologiste structural du MIT dont le laboratoire comprend Nordeen et Schuller. Si nous comprenions mieux comment il s'intègre aux autres pièces, nous pourrions apprendre comment le pore permet, par exemple, à l'ARN messager de sortir du noyau et aux protéines d'y entrer. Nous pourrions également découvrir pourquoi ses méthodes de contrôle d'accès ne sont pas infaillibles. . Comment certains virus pénètrent-ils dans le noyau, où ils se répliquent ? Y a-t-il un moyen d'arrêter ça ?

D'autres biologistes à tour de rôle sur les cryo-EM ont des questions différentes. Le postdoc Xue Fei l'utilise pour étudier les protéines que les bactéries utilisent pour éliminer les déchets. Kacper Rogala, postdoctorant au Whitehead Institute for Biomedical Research, affilié au MIT, examine des éléments individuels de la voie mTOR. C'est un mécanisme de signalisation qui régule le métabolisme des cellules. Il a été lié au cancer et à la longévité, et il sera peut-être possible de développer des médicaments qui ciblent des interactions très spécifiques dans cette voie plutôt que l'ensemble.

Les deux nouveaux microscopes électroniques cryogéniques du MIT, connus sous le nom de cryo-EM, sont hébergés dans MIT.nano sur des plateformes qui annulent les vibrations environnementales. Bob O'Connor

De voir à transformer

Nous n'en sommes qu'au tout début de l'exploitation des opportunités de l'échelle nanométrique, déclare Vladimir Bulović, professeur d'ingénierie et directeur du MIT.nano. Nous sommes assis dans son bureau intime, avec des armoires hautes, des plantes et une table basse en bois, dans le bâtiment 13, au bout du couloir depuis un couloir récemment ouvert qui se connecte à un étage supérieur du MIT.nano. Il explique pourquoi les équipements qui finiront par remplir le bâtiment jetteront les bases d'applications que nous ne pouvons pas encore imaginer.

• 1999

  Sangeeta Bhatia, SM '93, PhD '97, publie Microfabrication in Tissue Engineering and Bioartificial Organs.

• 2002

  Linda Griffith et ses collègues créent des structures de tissus biologiques sur du silicium, le foie sur une puce.

• 2006

  Karl K. Berggren et ses collègues font la démonstration d'un dispositif à nanofils capable de détecter un seul photon.

• 2009

  Angela Belcher et son équipe utilisent des virus génétiquement modifiés pour construire les composants clés d'une batterie lithium-ion.

• 2014

  Scott Manalis, Belcher et Bhatia présentent un appareil qui mesure la masse de nanoparticules individuelles avec une grande précision.

• 2014

  Vladimir Bulovic, Marc Baldo et leurs collègues imaginent un exciton, une quasi-particule responsable du transfert d'énergie à l'échelle nanométrique. L'exciton est essentiel pour les cellules solaires, les LED et les circuits semi-conducteurs.

• 2018

  Paula Hammond '84, PhD '93 et ​​ses collègues conçoivent des nanoparticules qui traversent la barrière hémato-encéphalique chez la souris pour administrer des médicaments anticancéreux.

Bulović a réalisé un travail de pionnier sur des matériaux tels que les points quantiques, les particules semi-conductrices de taille nanométrique qui sont utiles dans les téléviseurs haute définition, les cellules solaires et la recherche biologique. Ils exploitent la mécanique quantique d'une manière qui ne pouvait pas être directement observée avant l'invention du microscope à effet tunnel dans les années 1980. Mais comme le souligne Bulović, il a fallu beaucoup de temps pour que cette percée particulière dans la visualisation soit utilisée dans les produits. Au début, nous passions notre temps à être simplement heureux de voir des atomes, dit-il. La maîtrise des atomes est venue lentement. En 1993, les scientifiques d'IBM ont réussi à regrouper les atomes dans des configurations qui manipulaient le comportement des électrons. Mais ce n'est que dans les années 2000, dit Bulović, que les scientifiques sont devenus aptes à exploiter les pouvoirs d'observation de la STM pour la conception de matériaux spécifiques.

Il s'attend maintenant à voir un processus similaire se dérouler dans MIT.nano, où des machines qui ont généralement été utilisées pour des expériences hautement spécialisées deviendront des ensembles d'outils prêts à l'emploi pour une utilisation plus large.

Farnaz Niroui, SM '13, PhD '17, qui vient de rejoindre la faculté d'ingénierie, est l'un des professeurs qui passent de voir à faire. Elle est capable de contrôler avec précision la façon dont les électrons interagissent entre eux à l'intérieur de matériaux conçus à l'échelle nanométrique. Cela jette les bases d'appareils beaucoup plus économes en énergie que ce que nous avons aujourd'hui. Pendant ce temps, la professeure de science et d'ingénierie des matériaux Frances Ross et ses collègues documentent exactement ce qui se passe lorsque certains types de molécules conductrices s'auto-organisent en nanofils. Si de telles connaissances permettent de faire pousser des fils à l'intérieur de nouveaux matériaux, qui sait quels appareils électroniques en seront fabriqués ?

Pour donner un autre exemple, Bulović attrape un morceau de plastique avec des rectangles noirs dessus. Il s'agit d'un prototype d'un type de cellule solaire flexible mais ultra-efficace qui absorbe plus de longueurs d'onde de lumière que les dispositifs photovoltaïques actuels. Pour le fabriquer, les scientifiques ont dû bricoler les propriétés moléculaires de minéraux connus sous le nom de pérovskites, qui peuvent récolter l'énergie solaire. Bulović dit que les gens qui passeront devant MIT.nano dans les années à venir pourraient jeter un coup d'œil et voir des scientifiques enduire de pâtes riches en pérovskite sur des feuilles de plastique alors qu'ils essaient de perfectionner la technologie.

Vladimir Bulović, directeur du MIT.nano et professeur d'ingénierie. Bob O'Connor

Bulović mentionne cette possibilité de mettre en évidence la recherche sur l'énergie propre menée dans le cadre des programmes interdisciplinaires du MIT tels que GridEdge Solar, qui vise à augmenter la production de cellules solaires légères et flexibles. Mais il évoque également la nature transparente de MIT.nano. Une grande partie de ce qui se passera à l'intérieur, autre que la recherche biologique, sera la continuation du travail qui a été actif pendant des années dans les laboratoires de technologie des microsystèmes - un département que Bulović, Reif et le prévôt Martin Schmidt ont chacun dirigé. Mais ici, dit Bulović, les choses seront plus ouvertes.

Bulović se souvient d'avoir reçu la visite il y a plusieurs années d'un réalisateur de films qui a dit : « Vous savez, Vladimir, vous les gars ici au MIT, vous êtes un peu comme un chaudron de mystère. Des trucs sortent du chaudron, mais nous ne savons pas vraiment ce qu'est la soupe. Montrez-nous la soupe ! C'est dans cet esprit, dit Bulović, qu'il y a des fenêtres partout.

Nous voulons nous assurer que vous pouvez jeter un coup d'œil, dit-il. Vous ne comprendrez pas exactement ce qui se passe, mais vous verrez de l'activité. Vous verrez des gens dévoués à leur métier et vous vous émerveillerez de la façon dont ils le font, X, Y ou Z.

Il est tout aussi important, dit-il, que les personnes à l'intérieur des salles blanches et des autres laboratoires puissent voir. Nous veillons à ce que vous puissiez regarder à l'extérieur de MIT.nano et voir le scintillement des bouleaux et le balancement du bambou, dit-il. Il y a un monde extérieur qui dépend de vous pour développer des choses qui comptent.

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