Peser une cellule unique relève d'un défi d'une difficulté vertigineuse : une simple bactérie E. coli, par exemple, pèse environ 0,55 picogramme, soit cent millions de fois moins qu'un grain de sable. Pourtant, les scientifiques ont développé des méthodes ingénieuses, passant d'approximations mathématiques au XIXe siècle à des dispositifs d'une précision inouïe, illustrant la capacité de la science à repousser les limites de la mesure.

Les premiers tâtonnements : de Nencki à Nägeli

Les premières tentatives de pesée de cellules remontent au XIXe siècle, avec le chimiste polono-russe Marceli Nencki. Travaillant en Allemagne, celui-ci cultivait des cellules en grande quantité dans des flacons contenant un milieu liquide à base de viande en décomposition. Une fois les cellules saturées, il laissait le flacon reposer afin qu'elles se déposent au fond, puis les filtrait, les lavait et les pesait, obtenant ainsi leur « poids humide ». Il plaçait ensuite ces cellules dans un bocal scellé contenant de l'acide sulfurique concentré, qui absorbait l'eau ambiante, transformant les cellules en une pastille sèche. En soustrayant le poids sec du poids humide, Nencki estima que les bactéries sont composées d'environ 82,42 % d'eau.

C'est le naturaliste allemand Carl von Nägeli qui franchit une étape décisive. Vers 1877, il observa des cellules vivantes au microscope, notant que les levures mesurent environ dix micromètres de diamètre et les grandes bactéries environ deux micromètres. En faisant l'hypothèse que ces cellules sont des sphères, Nägeli calcula leur volume : une levure de cinq micromètres de rayon a un volume d'environ 500 micromètres cubes. Connaissant la densité de l'eau (un gramme par centimètre cube) et sachant, grâce aux travaux de Nencki, que les cellules sont constituées d'environ 80 % d'eau, il en déduisit la masse : une bactérie de petite taille pèserait environ 0,1 picogramme (poids humide) et 0,033 picogramme (poids sec). Cette estimation, fondée sur un calcul et non sur une mesure directe, est remarquablement proche des mesures modernes.

1953 : la pesée d'une levure par sédimentation

Il fallut attendre 1953 pour que deux biologistes de l'Université Southern Illinois, financés en partie par la brasserie Anheuser-Busch, réalisent la première méthode de pesée directe d'une cellule unique, en l'occurrence une levure. Leur approche reposait sur la loi de Stokes, établie en 1845 par le mathématicien irlandais George Stokes. Cette loi décrit la force de traînée exercée par un fluide sur une petite sphère qui le traverse à vitesse constante : la force de traînée s'oppose au poids et à la poussée d'Archimède, permettant d'établir une relation entre le rayon de la sphère, la viscosité du fluide, la vitesse de chute et la masse.

Les biologistes suspendirent des levures dans une solution d'eau sucrée à 1 %, déposèrent une goutte sur une lame de microscope qu'ils placèrent verticalement, puis filmèrent au microscope la chute des cellules à un grossissement de 400×. En mesurant la distance parcourue par chaque cellule sur un temps donné et en déterminant son rayon grâce à une échelle de référence, ils purent résoudre la loi de Stokes pour la masse. Après avoir répété l'expérience sur 67 cellules, ils obtinrent une masse moyenne de 79 picogrammes par levure, valeur remarquablement proche des estimations récentes, comme celle publiée en 2022.

Au-delà des sphères : le défi de E. coli

L'hypothèse de sphéricité était cruciale pour appliquer la loi de Stokes, car celle-ci n'est valable que pour des sphères parfaites. Les cellules d'E. coli, en forme de bâtonnet (cylindre), créent des turbulences qui invalident l'équation. Peser une bactérie unique nécessitait donc une stratégie radicalement différente. Cette avancée est survenue en 1998, lorsque des biologistes ont mis au point une méthode permettant de peser une seule bactérie, dont les détails restent à explorer. Les dispositifs modernes, comme les résonateurs à microcantilever, atteignent désormais une précision de l'ordre du femtogramme (10^-15 gramme), ouvrant la voie à des applications en biologie cellulaire et en diagnostic médical.