Les différentes utilisations de la bioluminescence par l'homme dans le domaine scientifique

'Homme à plusieurs utilitées d'un point de vue scientifique de la bioluminescence, nous allons les étudiés ici. Nous allons parler dans un premier temps de l'ATP-métrie, expliquer son fonctionnement et ses domaines d'utilisations.

Tout d'abord il faut définir l'ATP. L' ATP (adénosine triphosphate) est présent dans toutes les cellules vivantes et sert dans un grand nombre de réactions chimique. De plus on concidère que la bactérie  en contient environ un femtogramme (1 fg = 10−18 kg), elle est directement et quantativement liée à une activité dû aux bactéries ou aux microbes. (CF I/ 3) )

Le dosage de l'ATP est une des première application de la bioluminescence par l'Homme, qui l'a nommé ATPmétrie. C'est effectivement une technique de biologie moléculaire qui sert à mesurer la quantitée d'ATP dans un échantillon. L'ATP-métrie est une technique beaucoup plus simple et plus rapide que les méthodes de contrôle microbiologique classique. Comme nous avons put le voir dans la première partie la réaction de bioluminescence chez la luciole la reaction nécessite de l'ATP, ici nous apprenons que si les concentration en substrats(luciferine), en enzymes (luciférase) et en Oxygène sont constantes, alors l'ATP est equivalente à l'intensité lumineuse (elle même équivalente à la biomasse active) produite par la luciole. Il est donc possible grâce à un luminomètre d'obtenir une évaluation de la quantité d'ATP dans l'échantillon. La valeur donné par ce luminomètre est en unité relative de lumière ( URL ) et c'est un étalon qui estimera avec cette valeur la quantité d'ATP.

 L'ATPmétrie à des fonctions de plus en plus nombreuses, et aujourd'hui des kits commerciaux sont couramment utilisés pour effectuer des tests dans de nombreux domaines, tels que : L'environnement, l'alimentaire, pharmaceutique, ou en médecine

+Dans l'eau : L'ATP-métrie a permis en 1960 de de faire une estimation de la biomasse de plancton, ce fut une des premières utilisations de la bioluminescence

L'environnement : -Le traitement des eaux 

   Nous nous intéressons ici tout particulièrement au traitement des eaux, car l'ATP est un bon indicateur de contrôle en tant réel de la biomasse (ensembles des matières organique d'origine végétale, animale ou fongique pouvant devenir source d'énergie par combustion) active, une biomasse qui est un indicateur dont l'action est rapide ( et même instantanée) du taux de microorganismes présents dans l'échantillon d'eau analysée, donc dans les installations de traitements des eaux. Cette méthode ne sert ni à quantifier ou à identifier les bactéries, mais plutôt de prévoir le risque éventuel du développement dans l'eau.  

L'ATPmétrie est utilisée que se soit pour les eaux usées ou les eaux propres : les eaux recyclées, l'eau ultra pure, l'eau pure, l'eau sanitaire,l'eau minérale,l'eau potable et/ou l'eau industrielle. Ainsi que les tours aérofrigérentes, le pétrole, les fluides de coupes, les biofilms (ex: bacteries,  champignons, algues ...), les bains de cataphorèse, et les boues. Elle permet d'évaluer très rapidement le niveau de contamination bactérienne ou microbiologique présent dans l'installation du traitement des eaux.

Le but ici de l'utilisation de la bioluminescence par l'Homme est de pouvoir avoir une intervention rapide ( 6mn environ), et donc une réaction plus rapides pour la mises en places de procédés préventif ou correctifs.                                                                                                                                                                Luminomètre(moyens le plus simple,sensible et le plus pratique pour déterminer l'intensité de lumière émise par la réaction bioluminescente)                                                       

L'agro-alimentaire: L'ATP'métrie est utilisé dans l'alimentaire, elle permet de mesurer instantanément l'état d'hygiène et/ou la stérilité des surfaces en contact avec les produits alimentaires et les produit alimentaires eux-même comme le prouve les expériences réalisés sur le Coca cola. Cela permet aussi de suivre la fermentation pour le lait (spécialement celui de la vache), la bière et le vin. Pour le domaine du vin  l4Atp-métrie est aussi utilisée  pour un suivie bactériens pour les mises en bouteilles des produits. Dans le domaine de l'agro-alimentaire l'ATP'métrie sert à la viande, pour les levains (lait,vin brasserie), aux oeufs, boissons aux fruits ou Coca Cola etc.

Avant il était difficile de suivre l'activité microbienne des micro-organisme, car il y avaient des difficultées de quantifications microbiennes. C'est maintenant possible et simple avec l'utilisation de l'ATP-métrie

- Le Coca Cola : cette méthode est souvent utilisée dans les usines de coca cola pour contrôler une éventuelle contamination microbiologique. Comme l'ATP est présent chez tous les êtres vivants nous pouvons utiliser son niveau comme indication de la quantité de contamination. En ajoutant à un prélèvement de coca cola  luciférine/luciférase nous obtiendrons une certaine émission de lumière que nous pourrons par la suite mesurer. L'intensité de lumière produite par l'échantillon est proportionnelle à la contamination par des agents biologiques. Autrement dit plus l'échantillon brille plus le produit est contaminé.

- Le Lait : Le lait ne contient pas forcément beaucoup de bactéries. On utilise donc L'ATP-métrie dans le lait pour détecter la présence de cellules somatiques, car ces cellules indiquent que le pis de la vache est contaminé.

- Pour la viande et les oeufs, cette technique sert à prévoir une date de péremption et à verifier que les produits destinés à la marchandise sont bien aux normes. De plus cela détecte les bactéries ainsi que les foyer d'infections microbienne. Cela permet de lutter et de les exterminé si c'est possible.

L'Art : Pour préserver les oeuvres d'art de toutes les moisissures, levures, champignons et autres sans les détériorer on utilise de la même manière L'ATP-métrie. Cela permet donc de pouvoir restaurer les oeuvres sans trop de dommages .

Médicale, pharmaceutique, cosmétique :

Sans parler d'ATP-métrie, juste du dosage de l'ATP, la bioluminescence est aussi utilisée dans le diagnostique médical où il est parfois nécessaire de connaître rapidement le taux de contamination de liquide physiologique. De même, le dosage de l'ATP, vu précédement, peut aussi servir de témoin d'une activité physiologique (L'ATP intracellulaire des spermatozoïdes est le témoin direct de leur mobilité et de leur fertilité.). D'autres applications peuvent être envisagées comme le dosage des taux sériques ou le dosage d'antibiotiques. Mais d'autres applications de la bioluminescence dans ce domaine peuvent aussi être observées :

Alcoolisme et cirrhose

détection de l'anémie hémolytique dans les maladies hépatiques par la baisse du taux d'ATP des globules rouges

Antigènes détermination de la quantité d'antigènes
Bactériurie détection des microorganisme dans l'urine: certains malades atteints d'infections urinaires présentent un taux de bactéries croissant dans les urines et également une concentration d'ATP croissante
Contrôles de stérilité Des contrôles sont obligatoires sur des préparations injectable type vaccins, à usage humain et vétérinaire
Cytolyse et tirage d'antisérum utilisation de la perte d'ATP cellulaire comme mesure de l'activité cytologique d'anti-sérum
Dentition On peut détecter la biomasse vivante sur la plaque dentaire. Les carries dentaires résultent d'une interaction des micro-organismes de la plaque sur la surface de la dent avec les glucides qui fermentent (il est interessant d'identifier et de quantifier les composants bactériens)
Dermatologie utilisation d'ATP et d'ADP cellulaire comme indicateur de la vitesse de renouvellement des cellules de la peau
Dystrophie musculaire détermination de l'enzyme permettant le dépistage chez les nouveaux-nés
Immunologie quantification des réactions immunologiques
Infarctus cardiaque détermination des substrats et enzymes intervenant dans le dépistage
Lèpre évaluation de la sensibilité microbienne aux médicaments
Maladies hépatiques
On peut détecter ces maladies car le taux d'ATP baisse dans les hématies
Médicaments évaluation de la sensibilité microbienne aux médicaments
Métabolisme évaluation de la vitesse métabolique
Viabilité des érythrocytes, des vaccins et des spermatozoïdes (détermination très importante pour l'insémination artificielle, pour le contrôle de la qualité des spermatozoïdes congelés et la détermination de la stérilité ou de la fertilité)

 

Nous allons voir maintenant que l'ATP-métrie n'est pas la seule utilisation scientifique de la bioluminescence par l'homme, néanmoins elle est très courante aujourd'hui des entreprise vendent leurs service en proposant des devis sur la contamination micro-biologiques. 

 La Luciférase qui est utilisé comme gène marqueur, c'est très rependue dans le génie génétique(ou ingénierie génetique, ensemble de partie faisant partie de la biologie moléculaire, qui utilise les connaissances en génétiques pour utilisé, reproduire ou modifier le génome des êtres vivants) et en imagerie médicale.

L'imagerie bioluminescente, donne lieu à des expériences pour étudier la bioluminescence sur les cellules cancéreuses, toujours avec l'utilisation de la luciférase comme gène marqueur. Chez les êtres vivants, ici le cas d'étude est plus axé sur les humains, la cause pricipale de la mort d'un individu atteint d'un cancer et dû a la dissémination des cellules cancéreuses pour aller se placer ailleurs dans le corps, c'est une prolifération du cancer. Ces cellules se détachent de la tumeur principale et ce déplacent pas les voies sanguines ou elles interagissent avec les composant pour se fixer finalement à la paroi vasculaire de l'organe visé . Les cancers disséminé sont plus résistants aux thérapies anti-cancéreuse, car le procédés métastasique et repéré tardivement, et le procédé bioluminescence qu'on a etudié juste au dessus sur la souris permet de situer les cellules cancéreuses qui se sont déplacées.

Le cas d'études ici porte sur les petits animaux:

L'imagerie médicale est devenue fondamental pour soigner ou diagnostiquer les maladies comme le cancer et pour pouvoir observer rapidement les petites tumeurs et les micrométastase ou encore la progression tumorale et  de la métastase( c'est la croissance d'un organisme pathogène ou d'une cellule tumorale à distance du site initialement atteint) chez les petits animaux. Une imagerie tout aussi fondamental pour la recherche et les avancées technologiques dans la bio-imagerie. On a ainsi développer des caméras ultrasensible à très hautes résolution permettant la détection de photons directement In vivo sur un petit animal de type souris. C'est l'imagerie optique ou l'imagerie bioluminescente.

 La technique de la bioluminescence concentré sur la détection de lumière produite lors de la réaction biochimique entre la Luciférase et la Luciférine, permet d'avoir des images en temps réel de l'expression du gène de la luciférase (gène marqueur) in vivo. Pour pouvoir analyser la croissance et la migration (dissémination) des cellules cancéreuses, ou évaluer l'efficacité d'un protocole de thérapie génique ( Stratégie thérapeutique qui consiste a faire rentrer des gènes dans les cellules ou les tissus d'un individu pour traiter une maladie. C'est une thérapie qui sert à remplacer ou compléter un allèle mutant qui ne marche pas correctement, par un allèle qui fonctionne), ou encore analyser la régulation d'un gène endogène ( c'est un produit ou une fonction générer à l'interieur de lui-même). 

L'imagerie optique peut donc détecter le caractère tumorale (cancéreux) ou une tumeur précoce chez un petit animal. Cette technique permet d'avoir un procédés de choix pour évaluer de nouvelles molécule dans le domaine des thérapie anticancéreuse. Différents modèles (cellules cancéreuses greffées sur des souris) sont actuellement utilisés pour suivre l'évolution des tumeurs in vivo au cours de traitements.

( Pour l'imagerie optique on se sert aussi de fluorescence) 

Souris soumise à l'imagerie optique.  

Cancérologie :

    fig1Détection par bioluminescence d'un ostéosarcome de souris induit à partir de cellules exprimant la luciférase.  Détection de la tumeur primitive en site osseux et des métastases en site pulmonaire.fig2imagerie par bioluminescence de rats après injection de cellules de cancer du sein

Figure 1  : Détection par bioluminescence d'un ostéosarcome de souris induit à partir de cellules exprimant la luciférase. Détection de la tumeur primitive en site osseux et des métastases en site pulmonaire.
Figure 2  
: Imagerie par bioluminescence (BLI) de rats après injection de cellules de cancer du sein.

Le procédé d'incorporation et de visualisation de la maladie et le même a chaque fois. De manière générale l'imagerie est réalisé de façon non invasive grâce aux caméras à haute résolution refroidie après injection du substrat et anesthésie de l'animal. cette expérience peu être répétée tous les jours sur le même animal, ce la permet de pouvoir avoir un suivi précis sur l'évolution de la maladie.
 Exemple de l'utilité de l'imagerie optique et bioluminescente sur des poissons : 
Ces poissons ont été infecté par un virus (vNHCI-LUC), qui se traduit par les syptômes suivants : hémoragies généralisé et nécrose. 
4jours après les avoir infecter on les plongent dans de la luciférase. Puis aprés une anésthésie générale ils sont soumis au système d'imagerie, et grâce a la camera tres haute resolution il a été possible d'observe la réaction catalysé par la luciférase  (la lumière capturée par la caméra est due uniquement à la réaction catalysée par la luciférase apportée par le virus vNHI-LUC.) :

Figure 4  : Evolution de l’infection des truites par un virus (vNHI-LUC)  aux temps indiqués (de 8 heures à 4 jours post-infection), les poissons sont soumis à l'imagerie par bioluminescence pour détecter les sites de réplication virale. La couleur rouge symbolisant le site de la plus forte réplication virale et la couleur bleue symbolisant le site de la plus faible émission de lumière et donc le site où la réplication virale est la plus faible Les résultats démontrent que la porte d’entrée du virus se situe au niveau des nageoires. Jusqu’à ce jour, la grande majorité des chercheurs du domaine privilégiaient les branchies comme site primaire de réplication virale.

imagerie bioluminescence - SYSTEME D'IMAGERIE - NIGHT OWL II - NC100

SYSTEME D'IMAGERIE - NIGHT OWL II - NC100  

Le NightOwl II est un système d'imagerie en bioluminescence et en fluorescence pour les applications in vivo et in vitro. L?appareil est constitué d?une boîte noire intégrant une caméra CCD refroidie ultra sensible montée sur une colonne motorisée pour une mise au point et un >>>

 

  Toujours dans le domaine de l'imagerie, nous nous interessons maintenant à l'imagerie cérébrale. C'est une une technique qui vient d'être develloper et qui se révèle très utile pour permettre de suivre l'activité neuronale d'un sujet, plus en détails son activité calcique ( calcium ionisé ) sur un petit groupe de neurones ou sur le cerveau en entier in vivo et en temps réel.

Cette technique récement dévelloper est basée sur l'utilisation de d'une preoteïne ( un marqueur) de fusion qui réagit essentiellement avec le calcium elle est nommé  GFP-aequorin (GA). C'est l'aequorin qui est la proteïne sensible au calcium, quand elle est en présence de son co-facteur :  la coelenterazine, elle émetra des photons autrement dit de la lumière( bioluminescence), lorsque que la concentration calcique dans cellules varie. Cette variation peut être dû à l'activation des neurones.

Les tests effectués ici on été fait sur la Drosophile ( qui est une mouche à vinaigre ), les chercheurs on developpé un appareillage adapteé à l'insecte pour avoir in vivo et en temps réel, des enregistrements de l'activité neuronale sur les neurones, ou même de pouvoir tracer un réseau de neurones. La bioluminescence est toujours très utile car elle est non toxique et cela permet d'enregistrer et de suivre  l'activité du cerveau pendant 24 heures voir même 48 heures.

On applique de la nicotine des corps pécondulés (partie du cerveau) ansi que dans les corps cellulaires et les lobes, chez la drosophile, qui sont des structures necessaires à la mémoire et à l'apprentissage olfactive chez la mouche. Ainsi cette activation par la nicotine nous amène à une deuxième réponse qui apparait 10 à 15 minutes plus tard mais uniquement dans les lobes de projectoions. On peut donc suggerer que l'aparition de cette nouvelle réponse intervienne dans le phénomène d'apprentissage et de mémoire de la mouche, bien que jusqu'a présent cette reponse etait inconnue, insoupçonné, et est maintennt connue grâce à la bioluminescence.

La bioluminescence sert également dans le milieu du maquillage et du cosmétique elle permet la aussi decontrôler la stérilité des produits mit sur le marché.

En conclusion, l'Homme à une très grande utilisation de la bioluminescence, que se soit dans un domaine environemental, alimentaire, artistique ou encore medicale et pharmaceutique. L'homme à sut tirer profit,ici, de ce que lui offre la nature. mais certaines techniques restent néanmoins à évoluer.

 


 

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