Il serait impossible de comprendre la vie sans avoir une bonne compréhension des interactions microscopiques entre les molécules qui se produisent dans et autour des cellules. Les microscopes sont et ont été un outil précieux pour les chercheurs à cet égard, et de nombreux types différents de microscopes et de techniques de microscopie existent. Par conséquent, ces différentes techniques ont des objectifs différents et présentent des avantages et des inconvénients.

En biologie et en médecine en particulier, les chercheurs recherchent des techniques de microscopie pour obtenir des informations tridimensionnelles sur l'arrangement et l'orientation des molécules individuelles dans les cellules à l'échelle nanométrique. Une approche plausible pour y parvenir est la cryogénie (c'est-à-dire à des températures extrêmement basses) la tomographie électronique. Cependant, cette technique ne permet pas d'observer l'intérieur des alvéoles et se limite à de fines tranches extraites de l'alvéole, ce qui n'est pas aussi utile que de pouvoir localiser directement des molécules dans des cellules intactes.

Pour obtenir des mesures plus utiles, la lumière visible peut être utilisée pour éclairer des échantillons spéciaux dans ce que l'on appelle la microscopie à fluorescence. Lorsque vous utilisez cette méthode, les molécules cibles sont marquées avec des "fluorophores, " qui sont de minuscules molécules qui absorbent l'énergie de la lumière d'une couleur spécifique (fréquence), puis la réémettent en rougeoyant. Bien que cette approche ait été signalée comme étant utile pour localiser des fluorophores individuels dans le plan XY (une surface plane), la localisation 3D significative des biomolécules nécessite plus de précision dans la direction Z, ou profondeur, que ce qui est actuellement possible.

C'est pourquoi une équipe de chercheurs de Tokyo Tech dont le Dr Satoru Fujiyoshi, L'Université de Nagoya et l'Université de Kyoto se sont penchées sur la microscopie cryo-fluorescente pour mieux comprendre les sources d'erreur dans ces mesures et les moyens de les corriger. Les échantillons qu'ils ont utilisés étaient des molécules d'ADN de longueur connue (10 nanomètres) avec différents fluorophores à chaque extrémité.

Initialement, après avoir obtenu des images des deux fluorophores et déterminé la distance entre eux pour voir si elle correspondait à la longueur des molécules d'ADN, il y avait une erreur significative dans leurs mesures. Cela a été causé par l'orientation du fluorophore dans l'espace 3-D, qui n'était pas toujours parfaitement aligné avec le plan d'observation et était plutôt incliné ou incliné. Ceci est connu comme "l'effet d'orientation dipolaire" et est un facteur limitant sévère en microscopie à fluorescence. L'effet est lié à la faible précision de mesure dans la direction Z et, comme l'ont démontré les chercheurs, peut être corrigé.

C'est là qu'intervient la mesure dans des conditions cryogéniques. Les molécules sont instantanément figées en place, permettant des mesures 3D de haute précision qui contrecarrent l'effet d'orientation du dipôle. La précision (reproductibilité) avec laquelle les fluorophores ont été localisés était de ±1 nanomètre sur le plan d'observation et de ±11 nanomètres dans la direction Z, ou profondeur, ce qui est inédit pour ce type de microscopie. Grâce à ces corrections, les chercheurs ont réussi à localiser les fluorophores sur les molécules d'ADN avec une précision nanométrique (accord avec la vraie valeur). "En corrigeant l'effet d'orientation du dipôle, nous avons réussi à améliorer la précision de localisation de ces fluorophores jusqu'au nanomètre, " remarque le Dr Fujiyoshi.

L'équipe de recherche poursuivra ses travaux sur cette approche en utilisant une paire de fluorophores spécifiquement conçus pour les conditions cryogéniques, avec laquelle ils espèrent obtenir des résultats encore meilleurs. "Ce type de microscopie cryo-fluorescente contribuera à révéler les mécanismes et processus à l'intérieur des cellules au niveau moléculaire, " dit le Dr Fujiyoshi.