Les travaux pionniers des scientifiques du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du ministère de l'Énergie ont joué un rôle clé dans le prix Nobel de chimie 2017, décerné aujourd'hui, honorer le développement de la cryomicroscopie électronique, ou cryo-EM, une technique d'imagerie qui a lancé les domaines de la biologie structurale et de la biochimie dans une nouvelle ère passionnante de découverte.

Jacques Dubochet, Joachim Frank et Richard Henderson ont reçu le prix Nobel pour leurs travaux fondamentaux en cryomicroscopie électronique, qui utilise des électrons pour imager des échantillons qui ont été gelés à mi-mouvement, étendre une technique qui avait déjà été utilisée pour la matière morte ou inanimée aux protéines et autres biomolécules.

Dans le contexte scientifique détaillant le développement de la cryo-EM, le comité Nobel a mis en évidence une "série d'évolutions critiques" qui a permis de tirer pleinement parti des réalisations des lauréats du prix Nobel. Ils ont cité plusieurs articles co-écrits par les scientifiques du Berkeley Lab, Robert Glaeser, Ken Downing, et Peter Denes.

Glaeser, qui est également professeur émérite de biochimie à l'UC Berkeley, faisait partie des années de formation de cryo-EM. (notamment, Glaeser a été conseiller du lauréat du prix Nobel Joachim Frank lorsqu'il était chercheur postdoctoral à l'UC Berkeley au début des années 1970. Frank a également été chercheur principal au Centre national de calcul scientifique de la recherche énergétique de Berkeley Lab, ou NERSC, de 2004 à 2006.).

Glaeser et ses collègues ont été parmi les premiers à montrer l'importance de congeler des échantillons à des températures d'azote liquide pour les protéger des dommages causés par des faisceaux d'électrons intenses. Le comité Nobel a noté les recherches de Glaeser sur la quantification des dommages causés par les rayonnements induits par les électrons et la fourniture de conseils pour l'utilisation de faibles doses d'électrons moyennées sur plusieurs échantillons.

Pour minimiser les dommages à l'échantillon, seuls quelques électrons sont utilisés pour imager les macromolécules biologiques, créer des images « bruyantes ». L'utilisation de la moyenne est destinée à traiter ce "bruit, " mais cela nécessite un alignement précis des échantillons. Cela a créé un sérieux goulot d'étranglement lors de la gestion de dizaines à centaines de milliers d'images.

Entrez dans la révolution permise par la nouvelle technologie de détection directe, en particulier le genre développé par Peter Denes, un scientifique senior au Berkeley Lab. Plutôt que de prendre une seule photo pour chaque échantillon, la caméra à détecteur direct prend plusieurs images qui sont ensuite assemblées pour créer une image haute résolution. La technologie a été comparée au processus d'enregistrement d'un film, et il élimine efficacement le problème de flou ou de bruit lorsque l'échantillon se déplace.

Denes avait développé des détecteurs basés sur la technologie des semi-conducteurs à oxyde métallique complémentaire (CMOS) pour des applications en science des matériaux. Le travail a permis la détection directe des électrons, qui frappent directement les capteurs de pixels dans une fine couche de silicium. L'approche de pointe a permis le "comptage" direct des électrons et a essentiellement éliminé le problème du bruit.

Son premier prototype a été développé pour le microscope à transmission électronique à correction d'aberration (TEAM), un projet financé par le DOE au Centre national de microscopie électronique (NCEM), basé à la fonderie moléculaire de Berkeley Lab. Denes a souligné que parce que la technologie a été initialement conçue pour des applications en science des matériaux, il fallait être rapide pour capter le mouvement des atomes et révéler comment les défauts se propagent.

Le comité Nobel a notamment noté l'avantage en termes de vitesse ainsi que l'amélioration du rapport signal sur bruit et de la résolution spatiale de cette nouvelle génération de détecteurs.

Une version de la caméra Berkeley Lab a depuis été commercialisée par Gatan, Inc., basé à Pleasanton, Californie, et utilisé dans les laboratoires de recherche, dont celui d'Eva Nogales, chercheur universitaire à la division de biophysique moléculaire et de bioimagerie intégrée du Berkeley Lab.

Le travail de Berkeley Lab sur l'amélioration de la technologie de microscopie électronique est en cours. Glaeser et Denes ont attribué à l'écosystème collaboratif du Berkeley Lab le mérite d'avoir encouragé l'innovation en microscopie électronique.

Cet environnement collaboratif a été mis en évidence lors d'un récent atelier sur le « L'avenir de la microscopie électronique, " organisé l'année dernière au Berkeley Lab par Denes; Andy Minor, directeur du NCEM, et Paul Adams, directeur de la division Biophysique moléculaire et bioimagerie intégrée.

"Je ne peux penser à aucun autre endroit aux États-Unis qui possède la combinaison d'expertise et de ressources que nous avons ici à Berkeley, " a déclaré Denes. " L'expérience en microscopie électronique, la solide expérience dans la recherche en sciences biologiques et des matériaux, les moyens de calcul haute performance, les antécédents de développement de technologies innovantes, sont tous ici sous un même toit."

En 2015, Dénés, Downing et Uli Dahmen, ancien directeur du NCEM, ont reçu des Lab Lifetime Achievement Awards pour leurs travaux de microscopie électronique au Berkeley Lab.