Les chercheurs de Northwestern Engineering ont développé une nouvelle plate-forme qui peut imager des molécules uniques en 3D, permettant des sondes plus profondes dans le fonctionnement interne des cellules.

La plateforme utilise la microscopie spectroscopique de localisation de molécules uniques (sSMLM), un outil capable de capturer simultanément l'information spatiale de molécules individuelles et leurs signatures spectroscopiques.

Les chercheurs ont amélioré l'outil en combinant le sSMLM existant avec un système à deux miroirs, lui permettant d'imager des molécules en 3-D à des profondeurs beaucoup plus grandes. Ce nouvel outil pourrait aider les biologistes moléculaires à comprendre les processus complexes à l'intérieur des cellules.

« Notre conception est relativement simple à mettre en œuvre, et nous permettra d'étudier les interactions moléculaires bien mieux qu'avant, " dit Hao Zhang, professeur de génie biomédical et co-auteur de la recherche. "Maintenant, nous pouvons non seulement voir où sont les molécules, mais aussi ce qu'ils sont." Zhang a développé la technologie avec Cheng Sun, professeur agrégé de génie mécanique.

Les résultats ont été publiés le 21 mai dans la revue Optique . Les coauteurs comprenaient Ki-HeeSong, un doctorat candidat, et Yang Zhan, un stagiaire postdoctoral, tous deux du département de génie biomédical de Northwestern.

Imagerie en 3D

Dans les années récentes, les scientifiques et les ingénieurs ont utilisé sSMLM pour mieux comprendre les interactions moléculaires et la dynamique cellulaire. Le système fournit des informations sur l'emplacement des molécules et comment ces molécules interagissent avec la lumière, qui indique aux scientifiques quel type de molécule ils voient.

Mais le système ne fonctionne qu'en deux dimensions, ne donnant qu'une vue partielle des molécules et de leurs interactions.

Zhang et Sun voulaient étendre l'imagerie à la 3D et ont à l'origine développé un moyen de le faire en ajoutant un objectif supplémentaire, mais a constaté qu'une paire de miroirs peut obtenir le même effet d'une manière beaucoup plus élégante.

Les miroirs fonctionnent en introduisant une différence de longueur de chemin optique dans le système qui améliore la façon dont le système utilise les photons. Contrairement aux lentilles, la plupart des miroirs n'atténuent pas la lumière réfléchie, ce qui signifie que plus de photons peuvent être utilisés pour la localisation nanoscopique afin de créer une image plus nette et d'étendre l'imagerie dans la plage de profondeur 3D.

Avec une capacité d'imagerie à l'échelle nanométrique 3D, les chercheurs peuvent voir plus d'interactions se produire dans le volume intracellulaire sans être éclipsés par la surface. Par exemple, Zhang, Soleil, et leurs collaborateurs utilisent le système pour étudier la distribution intercellulaire des molécules, en regardant comment l'ARN est transporté et interagit avec les organites cellulaires avant d'être traduit en protéines.

"Ce système pourrait avoir des implications profondes en biologie moléculaire, " dit Zhang.

Bien que les systèmes d'imagerie moléculaire précédents utilisaient des filtres optiques pour détecter différents types de molécules en fonction de leurs couleurs d'émission bien séparées, le nouveau système peut détecter des différences infimes dans les émissions moléculaires de chaque molécule différente et analyser le spectre pour les différencier.

« Nous pouvons maintenant coder en couleur chaque molécule, " Sun a déclaré. "C'est une force clé."

Comprendre les processus à l'échelle nanométrique

Prochain, les chercheurs espèrent continuer à affiner la technologie, ainsi que de l'utiliser dans des études de biologie moléculaire.

Ils travaillent avec des collaborateurs pour étudier la structure des pores du noyau et son implication dans la différenciation des cellules souches, et étudient également la dépolarisation de la membrane mitochondriale, un événement associé à de nombreuses maladies, y compris la perte de vision chez les patients diabétiques. Ils espèrent également que leur technologie aidera les autres dans le domaine.

"C'est un design très élégant, " Sun a déclaré. " Le système peut être très facilement mis en œuvre dans d'autres laboratoires, et il a une belle performance."