🌀 Centrifugeuse

La centrifugation différentielle utilise des augmentations séquentielles de la force centrifuge pour précipiter des particules de taille progressivement plus petite : noyaux à ~600 × g, mitochondries à ~10 000 × g, microsomes à ~100 000 × g. La centrifugation à gradient de densité dépose l'échantillon au-dessus d'un gradient continu ou par paliers d'un soluté dense (saccharose ou CsCl) et centrifuge jusqu'à ce que les particules migrent vers la position où leur densité correspond au fluide environnant (isopycnique) ou où la vitesse dépendant de la taille les arrête (zonale à vitesse). Les méthodes à gradient de densité sont utilisées pour purifier les virus, l'ADN et les complexes protéiques.

Les ultracentrifugeuses fonctionnent à 150 000-800 000 × g (jusqu'à ~100 000 RPM) et peuvent séparer les macromolécules par la seule taille. L'ultracentrifugeuse analytique, inventée par Theodor Svedberg dans les années 1920, surveille en temps réel la migration des molécules par détection optique, permettant de calculer le poids moléculaire et la forme. Les coefficients de sédimentation sont exprimés en unités Svedberg (S) : le ribosome bactérien 70S comprend une grande sous-unité 50S et une petite sous-unité 30S (les unités ne sont pas additives car la forme compte aussi).

L'uranium naturel ne contient que 0,7 % de l'isotope fissile ²³⁵U ; les réacteurs nucléaires nécessitent un enrichissement de 3-5 % et le matériel de qualité militaire nécessite plus de 90 %. Les centrifugeuses à gaz font tourner l'hexafluorure d'uranium (UF₆) gazeux à ~50 000 RPM ; les molécules plus lourdes de ²³⁸U migrent vers l'extérieur tandis que le ²³⁵U s'accumule près de l'axe. Chaque centrifugeuse individuelle n'atteint qu'un facteur de séparation d'environ 1,3 par étage, donc des centaines de machines en cascade sont nécessaires. Les cascades de centrifugeuses à gaz sont bien plus efficaces énergétiquement que les anciennes usines de diffusion gazeuse.

Le coefficient de sédimentation s est le rapport entre la vitesse de sédimentation d'une particule et l'accélération centrifuge : s = v / (ω²R). Il a pour unité la seconde, mais les macromolécules biologiques typiques ont des valeurs de 10⁻¹³ s, donc l'unité Svedberg (S) est définie comme 10⁻¹³ s. Points de référence courants : les nucléosomes d'ADN sont ~11S, le protéasome 20S est ~20S, et les ribosomes mitochondriaux sont ~55S. Les valeurs de Svedberg sont affectées à la fois par la masse moléculaire et la forme — les molécules allongées sédimentent plus lentement que des sphères compactes de même masse.

Le temps t pour faire sédimenter une particule du haut vers le bas d'un tube est approximativement t = ln(r_bas / r_haut) / (s × ω²), où r_bas et r_haut sont les distances radiales du fond du tube et du ménisque par rapport à l'axe du rotor, s est le coefficient de sédimentation, et ω est la vitesse angulaire en rad/s. En pratique, des tables ou calculateurs en ligne traduisent cette formule en « faire tourner à X × g pendant Y minutes pour précipiter des particules plus grosses que Z nm », en tenant compte de la géométrie du rotor. Les temps de précipitation varient inversement avec la RCF — doubler la vitesse réduit le temps environ de moitié.

Une défaillance catastrophique du rotor due à un déséquilibre, une fatigue du métal ou une rupture de tube peut libérer une énergie équivalente à une explosion ; les rotors sont enfermés dans des chambres blindées épaisses conçues pour contenir les débris. Des exigences strictes d'équilibrage (généralement dans une différence de 0,1 g entre tubes opposés) préviennent les oscillations de résonance qui sollicitent les roulements. Les échantillons biologiques nécessitent un confinement à l'intérieur de rotors scellés ou de tubes étanches aux aérosols, et les rotations doivent être effectuées dans des enceintes de biosécurité lors du traitement de matériel infectieux pour éviter la libération d'aérosols.

Dans la centrifugation isopycnique, l'échantillon est mélangé à un soluté dense tel que le chlorure de césium (CsCl) et centrifugé pendant de nombreuses heures jusqu'à ce que le soluté lui-même forme un gradient de densité et que chaque particule migre vers son point exact d'équilibre de densité de flottaison. Cette technique a été utilisée dans l'expérience de Meselson-Stahl de 1958 pour démontrer la réplication semi-conservative de l'ADN en résolvant l'ADN-¹⁴N de l'ADN-¹⁵N (différence d'environ seulement 0,014 g/mL) dans des gradients de CsCl à 140 000 × g.