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    Des chercheurs repoussent les limites de la microscopie optique

    De nombreuses mesures différentes, contenant chacun quelques points électroluminescents, sont combinés pour former une seule image avec une haute résolution. La formule indique l'incertitude avec laquelle une seule molécule peut être localisée. Crédit :TU Delft/Bernd Rieger

    Le domaine de la recherche en microscopie optique s'est développé rapidement ces dernières années. Grâce à l'invention d'une technique appelée microscopie à fluorescence super-résolution, il est récemment devenu possible de voir même les plus petites parties d'une cellule vivante. Maintenant, en apportant un raffinement intelligent à cette technique, les chercheurs de la TU Delft ont repoussé ses limites encore plus loin. Là où auparavant des objets mesurant jusqu'à 10-20 nanomètres pouvaient être observés, leur méthode permet de se concentrer sur des structures aussi petites que 3 nanomètres de diamètre.

    Les microscopes faits maison du marchand de tissus et scientifique de Delft Antoni van Leeuwenhoek avaient une résolution de moins d'un micromètre, ce qui lui a permis d'observer des structures comme les bactéries et les spermatozoïdes. Mais même au XVIIe siècle, Van Leeuwenhoek approchait déjà de la soi-disant «limite de diffraction», une limite théorique au-delà de laquelle deux points adjacents ne peuvent être distingués au microscope optique. Cette limite est déterminée en partie par la longueur d'onde de la lumière utilisée. Selon la théorie, la taille maximale de l'objet que vous pouvez imager à l'aide d'un microscope conventionnel est la moitié de cette longueur d'onde. Tout ce qui est plus petit est impossible à mettre au point.

    La limite de diffraction a longtemps été considérée comme une frontière dure, déterminé par les lois de la nature. Mais en appliquant des astuces astucieuses, les physiciens ont finalement réussi à le traverser. Il n'y a pas si longtemps, en 2014, le prix Nobel de chimie a été décerné aux trois chercheurs qui ont inventé la solution de contournement, connue sous le nom de « microscopie à fluorescence à super-résolution ». Dans cette technique, certaines protéines ou molécules sont rendues fluorescentes par modification génétique. Le faible signal lumineux qu'ils émettent peut ensuite être capté à l'aide d'un microscope optique. "En pratique, bien que, " dit le chercheur Bernd Rieger, « Le problème avec la fluorescence des protéines est que vous ne pouvez pas étiqueter toutes celles d'un type particulier. Seulement 30 à 50 % d'entre elles, au plus. Lorsque vous commencez ensuite à prendre des mesures, vous ne voyez qu'un certain nombre de points lumineux individuels, pas la structure complète que vous essayez de visualiser."

    Résoudre le problème, les chercheurs de Delft ont imaginé une adaptation à la microscopie à super-résolution. C'est comparable à ce que l'on appelle en photographie le « compositing » :empiler plusieurs images pour créer une seule image composée. « La moyenne des informations provenant de différentes mesures était déjà effectuée en microscopie électronique, " explique le chercheur Sjoerd Stallinga. " Mais c'est une technologie complètement différente. Il a fallu deux ans à notre doctorante Hamidreza Heydarian pour convertir la technique en vue d'une utilisation en microscopie optique."

    Un problème était que combiner des centaines, sinon des milliers, des « instantanés » nécessite d'énormes quantités de puissance de traitement. Avec un ordinateur normal, il a fallu plusieurs jours pour construire une image claire à partir de toutes les données. "Heureusement, " dit Rieger, "grâce à l'industrie des jeux informatiques, nous avons accès à des cartes graphiques capables de calculer extrêmement bien en parallèle. » Un programmeur du Netherlands eScience Center à Amsterdam a rejoint le projet et a converti un algorithme existant pour les PC normaux en un que les chercheurs pourraient exécuter sur une telle carte graphique. En conséquence , les mesures peuvent désormais être combinées en une seule image en quelques heures.

    Cette recherche réduit l'écart entre la microscopie électronique et optique, ce qui est important car les deux techniques donnent des résultats différents et sont donc complémentaires, mais sont encore très éloignés en termes de possibilités. « Les meilleurs microscopes électroniques sont 30 à 50 fois plus puissants que les meilleurs optiques, " dit Stallinga. " Rapprocher les deux mondes pourrait conduire à de nouvelles connaissances biologiques. "

    Selon les chercheurs, leur technique – qui atteint déjà des résolutions de l'ordre de trois nanomètres – devrait permettre à terme de visualiser des structures mesurant seulement un nanomètre. En dessous de ce seuil, les dimensions des marqueurs fluorescents deviennent un facteur limitant.

    Les résultats ont été publiés dans la revue Méthodes naturelles .

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