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Le microscope est la pierre angulaire de la microbiologie, permettant aux chercheurs de visualiser des organismes depuis les bactéries jusqu'aux tissus complexes. Depuis que les microscopes à tube de verre d'Anton van Leeuwenhoek, au XVIIe siècle, ont révélé pour la première fois des bactéries et des cellules sanguines, la microscopie a évolué vers une suite d'instruments spécialisés qui révèlent des vues de plus en plus détaillées de la vie.
Les microscopes à lumière visible restent la bête de somme de la plupart des laboratoires. Un stéréomicroscope à dissection offre une vue tridimensionnelle d'échantillons intacts avec un grossissement de 100 à 150 ×, idéal pour les études sur l'organisme entier. Les microscopes composés, équipés de lentilles objectives et oculaires, atteignent 1 000 à 1 500 ×, permettant d'examiner en détail les structures cellulaires et subcellulaires. Des modalités de lumière avancées telles que le fond noir et le contraste de phase diffusent ou décalent sélectivement la phase de la lumière, révélant des cellules et des organites vivants, y compris des mitochondries, sans coloration.
La microscopie à fluorescence utilise la lumière ultraviolette ou bleue pour exciter les fluorophores dans un échantillon. L’émission qui en résulte à des longueurs d’onde plus longues produit des images vives et codées en couleurs qui peuvent identifier des molécules ou des espèces bactériennes spécifiques. Les variantes confocales utilisent un sténopé pour bloquer la lumière floue, générant ainsi des reconstructions tridimensionnelles haute résolution d'échantillons épais. Cette technique est indispensable pour suivre les processus dynamiques dans les cellules vivantes.
En remplaçant la lumière par un faisceau électronique, les microscopes électroniques atteignent une résolution bien plus élevée. En microscopie électronique à transmission (MET), les électrons traversent des coupes minces, révélant une ultrastructure interne comme les parois de silice cristalline des diatomées ou les capsides des virus. La microscopie électronique à balayage (MEB) scanne une surface avec des électrons, produisant des images topographiques détaillées après avoir recouvert le spécimen d'or ou de palladium. Le TEM et le SEM fournissent des vues à l'échelle nanométrique qui dépassent de loin les limites optiques.
Les microscopes à rayons X utilisent des faisceaux de rayons X à haute énergie pour sonder les échantillons. Les diagrammes de diffraction résultants offrent une résolution intermédiaire entre la microscopie optique et électronique, tout en permettant la visualisation des positions atomiques dans les structures cristallines. Il est important de noter que la microscopie à rayons X permet d'imager des cellules vivantes hydratées sans la déshydratation et la fixation requises par les méthodes électroniques, ouvrant ainsi de nouvelles voies pour l'étude de la dynamique biologique.