Des chercheurs s’inspirent des papillons pour développer un capteur d’imagerie UV

Notre planète abrite une multitude de créatures dotées de sens plus avancés que ceux des humains. Inspirée par le système visuel du papillon Papilio xuthus, une équipe de chercheurs a mis au point un capteur d’imagerie capable de « voir » dans la gamme des ultraviolets, inaccessible à l’œil humain. Cette technologie pourrait faire avancer le domaine de la santé, notamment dans la détection et le traitement du cancer.

Une technologie inspirée de la nature

Les tortues peuvent détecter le champ magnétique de la Terre, les crevettes mantes peuvent percevoir la lumière polarisée, et les éléphants peuvent entendre des fréquences beaucoup plus basses que celles perceptibles par l’homme. Les papillons, quant à eux, peuvent percevoir une gamme plus large de couleurs, y compris la lumière ultraviolette (UV).

En s’inspirant du système visuel du papillon Papilio xuthus, une équipe de chercheurs a développé un capteur d’imagerie capable de «voir» dans la gamme des UV, inaccessible à l’œil humain. Le design du capteur utilise des photodiodes empilées et des nanocristaux de pérovskite (PNC) capables d’imager différentes longueurs d’onde dans la gamme des UV.

Une avancée majeure dans la détection du cancer

En utilisant les signatures spectrales de marqueurs biomédicaux, tels que les acides aminés, cette nouvelle technologie d’imagerie est même capable de différencier les cellules cancéreuses des cellules normales avec une confiance de 99%. Cette recherche, dirigée par le professeur Viktor Gruev et le professeur Shuming Nie de l’Université de l’Illinois Urbana-Champaign, a été récemment publiée dans la revue Science Advances.

« Nous nous sommes inspirés du système visuel des papillons, qui sont capables de percevoir plusieurs régions dans le spectre UV, et avons conçu une caméra qui reproduit cette fonctionnalité », explique Viktor Gruev. « Nous avons fait cela en utilisant de nouveaux nanocristaux de pérovskite, combinés à la technologie d’imagerie en silicium, et cette nouvelle technologie de caméra peut détecter plusieurs régions UV. »

Le jeu de l’imitation

Les humains ont une vision trichromatique avec trois photorécepteurs, où chaque couleur perçue peut être faite à partir d’une combinaison de rouge, vert et bleu. Les papillons, cependant, ont des yeux composés, avec six (ou plus) classes de photorécepteurs avec des sensibilités spectrales distinctes. En particulier, le Papilio xuthus, un papillon asiatique à queue d’hirondelle jaune, a non seulement du bleu, du vert et du rouge, mais aussi du violet, de l’ultraviolet et des récepteurs à large bande.

De plus, les papillons ont des pigments fluorescents qui leur permettent de convertir la lumière UV en lumière visible qui peut ensuite être facilement détectée par leurs photorécepteurs. Cela leur permet de percevoir une gamme plus large de couleurs et de détails dans leur environnement.

Des applications dans le domaine de la santé et au-delà

Il existe divers marqueurs biomédicaux présents dans les tissus cancéreux à des concentrations plus élevées que dans les tissus sains – acides aminés (blocs de construction des protéines), protéines et enzymes. Lorsqu’ils sont excités par la lumière UV, ces marqueurs s’illuminent et fluorescent dans le spectre UV et une partie du spectre visible, dans un processus appelé autofluorescence.

« L’imagerie dans la région UV a été limitée et je dirais que cela a été le plus grand obstacle à la réalisation de progrès scientifiques », explique Shuming Nie. « Maintenant, nous avons mis au point cette technologie où nous pouvons imager la lumière UV avec une grande sensibilité et pouvons également distinguer de petites différences de longueur d’onde. »

En synthèse

Cette nouvelle technologie d’imagerie, inspirée par le système visuel des papillons, ouvre de nouvelles perspectives passionnantes non seulement dans le domaine de la santé, mais aussi dans la compréhension de notre environnement naturel. En permettant de distinguer les cellules cancéreuses des cellules saines avec une confiance de 99%, elle pourrait révolutionner le diagnostic et le traitement du cancer. De plus, elle offre aux biologistes un nouvel outil pour étudier les espèces capables de voir dans les UV, enrichissant ainsi notre connaissance de la biodiversité terrestre.

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce que le capteur d’imagerie développé par les chercheurs ?

C’est un capteur capable de «voir» dans la gamme des ultraviolets, inaccessible à l’œil humain. Il utilise des photodiodes empilées et des nanocristaux de pérovskite (PNC) pour imager différentes longueurs d’onde dans la gamme des UV.

Quelle est l’inspiration derrière cette technologie ?

La technologie est inspirée du système visuel du papillon Papilio xuthus qui peut percevoir une gamme plus large de couleurs, y compris la lumière ultraviolette (UV).

Comment cette technologie peut-elle aider dans la détection du cancer ?

La technologie peut différencier les cellules cancéreuses des cellules normales avec une confiance de 99% en utilisant les signatures spectrales de marqueurs biomédicaux, tels que les acides aminés.

Quels sont les autres domaines d’application de cette technologie ?

Outre le domaine de la santé, cette technologie peut aider les biologistes à étudier les espèces capables de voir dans les UV, enrichissant ainsi notre connaissance de la biodiversité terrestre.

Quels sont les défis de l’imagerie dans la région UV ?

L’imagerie dans la région UV a été limitée en raison de la difficulté à capturer la lumière UV avec une grande sensibilité et à distinguer de petites différences de longueur d’onde.

Principaux enseignements

Références

Gruev, V., & Nie, S. (2023). Imaging sensor inspired by butterfly vision. Science Advances.