Neher et Sakmann ont entendu des canaux ioniques uniques à travers une pipette de verre scellée par aspiration

Au début des années 1970, la plupart des physiologistes croyaient que les ions traversaient la membrane cellulaire par des pores spécifiques, mais personne n'en avait vu un. Hodgkin et Huxley avaient déduit l'existence de canaux à partir d'axones de calmar en 1952, mais une controverse d'une décennie sur leur existence même se poursuivait, car un canal unique ne transporte que quelques picoampères — environ un milliardième de ce que les microélectrodes conventionnelles pouvaient résoudre proprement — enfouis dans le bruit de fuite et thermique. La réponse standard consistait à amplifier davantage et à moyenner plus longtemps.

À l'Institut Max-Planck de psychiatrie de Munich, Erwin Neher et Bert Sakmann ont pressé une micropipette de verre de quelques micromètres de large contre une fibre musculaire de grenouille dénervée et ont enregistré ce qui traversait le patch sous la pointe. Dans leur article de 1976 dans Nature, le sceau était médiocre — résistance de pipette de quelques mégohms et sceaux de l'ordre de dizaines à centaines de mégohms — mais des courants discrets, en forme de marches, de quelques picoampères apparaissaient néanmoins : le premier enregistrement d'un canal natif unique, qui mit immédiatement fin au débat sur l'existence des canaux.

L'astuce qui rendit la méthode routinière fut le gigasceau. Le polissage à la flamme de la pointe de la pipette et l'application d'une légère aspiration firent adhérer la membrane au verre si étroitement que la résistance du sceau passa de l'ordre de la centaine de mégohms à des dizaines de gigaohms (Hamill, Marty, Neher, Sakmann et Sigworth, 1981). Le bruit de fond chuta de plusieurs ordres de grandeur, et la même prise de verre survécut à l'arrachement du patch de la cellule, donnant les configurations cell-attached, whole-cell, inside-out et outside-out qui standardisent encore le domaine.

Presser le verre contre la cellule ; l'aspiration crée un sceau de l'ordre du gigaohm

La résistance du sceau détermine la fuite : à des dizaines de gigaohms, presque tout le courant du patch s'écoule dans l'amplificateur au lieu de s'échapper autour du bord de la pipette.

Le bruit évolue avec la conductance de fuite, de sorte qu'un sceau mille fois plus étanche a fait taire le bruit de fond qui masquait les marches de picoampères.

Le verre poli à la flamme et l'aspiration ne nécessitaient que des outils déjà présents sur la paillasse — une microforge et une seringue — plutôt qu'une nouvelle électronique.

La prise survécut à l'excision de la cellule, transformant une astuce en quatre configurations d'enregistrement standard.

Quand on ne peut pas agrandir le signal, il faut réduire le bruit : la percée ne fut pas un meilleur amplificateur mais l'élimination de toute voie de fuite parallèle, de sorte que la seule voie restante portait toute l'histoire.

Le patch-clamp devint la bête de somme de la biophysique des canaux : les cinétiques, les filtres de sélectivité et les capteurs de portail furent résolus au niveau de la molécule unique, et les marches de capacitance enregistrées à la pipette permirent à Neher d'observer la fusion de vésicules uniques pendant la sécrétion. Les canaux ioniques passèrent de l'hypothèse à l'une des plus grandes classes de cibles médicamenteuses ; l'Assemblée Nobel nota que la méthode était déjà utilisée par des milliers de scientifiques dans le monde lorsqu'elle décerna à Neher et Sakmann le prix Nobel de physiologie ou médecine en 1991. Le patch-clamp automatisé réalise aujourd'hui des milliers d'enregistrements cellulaires par jour dans le criblage pharmaceutique.