Un colorant alimentaire rend transparente la peau d’un animal vivant

Le titre semble impossible, mais l’idée est simple. Un bocal en verre rempli de billes d’hydrogel ayant l’indice de réfraction de l’eau (n = 1,33) est opaque, car la lumière est diffusée dans les billes ; mais si vous le remplissez d’eau, il deviendra transparent, éliminant ainsi la dispersion. Les cellules de votre peau contiennent de l’eau et la lumière peut les traverser, vous voyez donc vos veines bleues si vous avez la peau claire ; mais la lumière est dispersée dans ses lipides et ses protéines (1.4 3Science selon laquelle un colorant alimentaire jaune (tartrazine, E-102) appliqué localement sur la peau, après avoir été absorbé, augmente son indice de réfraction et la rend transparente pendant une vingtaine de minutes. Ce colorant biocompatible appliqué sur la peau rasée de l’abdomen d’une souris vivante permet de voir ses organes et ses mouvements péristaltiques ; appliqué sur le cuir chevelu rasé de la souris, il permet de visualiser ses vaisseaux sanguins cérébraux ; images microscopiques haute résolution des sarcomères musculaires ; Les images et vidéos contenues dans l’article sont impressionnantes. Mais le plus fascinant est que son explication physique est très simple et s’accompagne d’une surprise contre-intuitive.

Les molécules de colorant agissent comme des absorbeurs de lumière. La peau devient transparente à la lumière rouge car les molécules colorantes absorbent la lumière ultraviolette et bleue. Essentiellement, la grande absorption dans la zone bleue du spectre est la cause de l’augmentation de l’indice de réfraction dans la partie rouge du spectre, sans toutefois altérer son absorption dans cette région. Le secret réside dans les relations Kramers-Kronig, et lorsque je les ai étudiées à l’université, je n’aurais jamais imaginé qu’elles pourraient être utilisées pour faire du roman une réalité. L’homme invisible (1897) par HG Wells ; rappelons que son protagoniste invente une substance qui rend transparentes les cellules de son corps en contrôlant précisément leur indice de réfraction (bien qu’abaissé, pour qu’il coïncide avec celui de l’air). L’indice de réfraction d’un matériau est un nombre complexe, n(λ) = n´(λ) + in´´(λ), avec une partie réelle n´(λ) pour la réfraction de la lumière, qui est approximée par un Lorentz profil avec un point d’inflexion (courbe verte dans la figure ci-dessous à gauche) et une partie imaginaire n´´(λ) pour l’absorption, qui est approximée par un profil gaussien dont le pic est centré au point d’inflexion (courbe grise en pointillés ). Les relations de Kramers – Kronig permettent de calculer la partie imaginaire n´´(λ) à partir de l’imaginaire réel n´(λ), et vice versa. Pour la tartrazine en solution aqueuse, l’absorption se produit entre 300 et 400 nm (ultraviolet), et entre 400 et 500 nm (bleu) ; mais il n’y a pas d’absorption entre 500 et 600 nm (vert et jaune), ni entre 600 nm et 700 nm (orange et rouge). Les relations de Kramers – Kronig prédisent que la partie réelle n´(λ) devrait augmenter là où la partie imaginaire n´´(λ) est nulle.

Il existe de nombreuses substances ayant une absorption similaire à la tartrazine, qui assurent la transparence de la peau, mais sont toxiques. L’avantage de la tartrazine (E-102) est qu’il s’agit d’un colorant alimentaire jaune vif très utilisé dans les bonbons, les boissons, les gelées, les glaces, etc. Il est souvent associé à d’autres colorants, comme le bleu vif E-133, pour obtenir des couleurs vert vif, ou l’orange E-110, pour colorer les Doritos et tacher les doigts. L’article est Zihao Ou, Yi-Shiou Duh, …, Guosong Hong, “Achieving Optical Transparence in Live Animals with Absorbing Molecules”, Science 385 : adm6869 (06 septembre 2024), doi : informations plus informatives dans Christopher J. Rowlands , Jon Gorecki, « Rendre les tissus temporairement transparents. Un colorant alimentaire supprime la diffusion de la lumière dans les tissus biologiques pour permettre une imagerie profonde in vivo », Science 385 : 1046-1047 (5 septembre 2024), doi : et plus brièvement dans Douglas Natelson, « Seeing through fabric and Kramers-Kronig », Vues à l’échelle nanométrique, 07 septembre 2024.

Il existe de nombreuses techniques qui permettent de rendre transparent le corps d’un cadavre animal ; l’eau peut être remplacée par une substance ayant un indice de réfraction plus élevé ou les lipides peuvent être éliminés, par exemple. Vous vous souvenez peut-être de la technique uDISCO qui montrait des images phosphorescentes spectaculaires du tissu nerveux (YouTube), publié dans Chenchen Pan, Ruiyao Cai, …, Ali Ertürk, « Shrinkage-mediated imaging of whole organs and organisms using uDISCO », Nature Methods 13 : 859-867 (2016), doi : https://doi.org/10.1038/nmeth.3964. Mais ces techniques ne peuvent pas être appliquées à un animal vivant, ni permettre de voir le mouvement des organes ou le flux de protéines phosphorescentes au sein de l’animal. Les images d’une patte arrière utilisant la technique de génération de seconde harmonique avec un laser à 1040 nm (le signal est réfléchi à 520 nm) montrent le muscle à une profondeur d’environ 220 μm avec des détails aussi petits que 2,60 ± 0,28 μm, la longueur des sarcomères. dans les myofibrilles. Vraiment incroyable. Bien sûr, la nouvelle technique présente de nombreuses limites, mais pour l’instant il ne s’agit que d’une idée conceptuelle ; Les améliorations futures finiront par en faire un outil incontournable en physiologie animale.

Ces images (ci-dessus) montrent le changement entre opacité et transparence, après application de tartrazine (la peau est massée pour qu’elle soit mieux absorbée). La transparence a une durée qui dépend de la concentration molaire, mais peut être atteinte jusqu’à une vingtaine de minutes (le pic de transparence est ici d’environ huit minutes). Le retour de l’état transparent à l’opaque peut être accéléré en appliquant de l’eau sur la peau, comme illustré dans les images ci-dessous. Il existe d’autres images similaires dans les informations supplémentaires de l’article.

Pour un physicien, le plus fascinant est qu’elle repose sur les relations mathématiques découvertes par Kronig (1926) et Kramers (1927) pour la transformée de Fourier. Lorsque vous appuyez sur une touche d’un piano, cela produit un son qui s’atténue avec le temps. La transformée de Fourier de ce signal est une fonction complexe avec une partie réelle, associée aux fréquences de la note, et une partie imaginaire, associée à l’amplitude desdites fréquences. Vous pouvez penser que les deux sont indépendants et peuvent être arbitraires. Cependant, la causalité, selon laquelle le son démarre après avoir appuyé sur la touche, implique que la partie réelle et la partie imaginaire sont liées l’une à l’autre de manière univoque. Étant donné l’un, l’autre peut être déterminé et vice versa. L’indice de réfraction d’un matériau est décrit avec le modèle de Lorentz, selon lequel la lumière interagit avec un électron d’un atome, qui se comporte comme un oscillateur harmonique forcé (que chaque étudiant en physique apprend en première année). La causalité, selon laquelle la réponse de l’électron commence après l’arrivée de l’onde lumineuse, implique que l’indice de réfraction (partie réelle du modèle) détermine de manière unique le coefficient d’absorption (partie imaginaire du modèle) et vice versa.

Le colorant appliqué sur la peau, après absorption, modifie à la fois l’indice de réfraction n´ de la peau, dont la variation molaire est notée β, et son indice d’absorption n´´, dont la variation molaire est α. Cette figure illustre de tels changements molaires pour diverses substances ; la clé de la transparence est un changement important de β. De plus, puisqu’elle est appliquée sur un animal vivant, il est nécessaire que les substances soient biocompatibles et peu toxiques (aux doses molaires appliquées localement). Par exemple, l’application de glycérol (largement utilisé pour nettoyer la peau) n’augmente l’indice de réfraction que de 0,013 par concentration molaire. En utilisant la tartrazine, dont le pic d’absorption en solution aqueuse est à 428 nm, avec une largeur FWHM de 94 nm, avec n´´ = 0,5, la variation de l’indice de réfraction n´ obtenue est de l’ordre de 0,1 (en fonction de concentration molaire); Cela permet à l’eau de la peau d’atteindre un indice de réfraction comparable à celui des lipides et des protéines. Dans les expériences, la plus grande transparence optique a été obtenue à des concentrations de 0,78 M (molaire), dans la limite physiologiquement tolérable.

La méthodologie de l’article dans Sciencecomme il ne pouvait en être autrement, est très complet. Plusieurs expériences sont présentées qui démontrent, sans aucun doute, l’hypothèse expliquant la transparence basée sur l’indice de réfraction et la courbe d’absorption selon les relations de Kramers – Kronig. Je ne pense pas que cela vaut la peine de les présenter en détail, même si j’encourage les personnes intéressées à se plonger dans l’article, qui est très facile à comprendre avec des connaissances de base en physique (peut-être parce qu’il s’adresse aux biologistes et aux physiologistes). Une méthode aussi simple pour obtenir la transparence des tissus vivants est très facile à reproduire dans n’importe quel laboratoire. Il faut donc s’attendre à ce que dans peu de temps il soit possible d’améliorer la qualité des images et la profondeur de la région transparente (selon le modèle théorique, cela pourrait être atteint jusqu’à un facteur dix). De plus, la transparence est visible à l’œil nu, mais elle se produit également dans l’infrarouge, ce qui permet d’utiliser les techniques standards de microscopie de laboratoire pour les tissus (il en existe beaucoup basées sur des lasers infrarouges). Sans aucun doute une œuvre fascinante inspirée d’un roman de HG Wells, qui a d’ailleurs étudié la biologie avec TH Huxley comme professeur.