En 2014, W.E. Moerner, le professeur de chimie Harry S. Mosher à l'Université de Stanford, a remporté le prix Nobel de chimie pour avoir co-développé un moyen d'imagerie des formes à l'intérieur des cellules à très haute résolution, appelée microscopie à super-résolution. Maintenant, lui et son laboratoire ont créé un nouveau microscope qui produit des images nanométriques en 3D de cellules de mammifères dans leur intégralité.

"Une cellule a toute une ville de protéines, des enzymes et des structures qui fonctionnent tout le temps, " a déclaré Moerner. "Nous avons une idée de ce qu'il y a dans une cellule - beaucoup d'entre nous sont familiers avec les dessins de mitochondries ou du réticulum endoplasmique - mais c'est une idée moyenne. Lorsque nous regardons des cellules individuelles, nous reconnaissons qu'ils ne sont pas tous exactement comme les images que nous avons dans les manuels."

Le laboratoire Moerner mélange la chimie, la physique, l'optique et l'ingénierie pour créer de meilleures façons de scruter l'intérieur des cellules pour voir le fonctionnement de molécules individuelles. Collaborer avec de nombreux autres laboratoires, le groupe se concentre sur des sujets biologiques, comme la mesure des structures des fibres protéiques liées à la maladie de Huntington, observer l'organisation des brins individuels d'ADN dans le noyau et documenter les changements structurels dans les cellules au cours des traitements médicaux.

Crêpes et magie

Le nouveau microscope, que les chercheurs appellent TILT3D et qui a été décrit récemment dans un article publié dans Communication Nature , combine deux nouvelles techniques d'imagerie avec la microscopie à super-résolution pour capturer des images 3D très claires des structures et des molécules individuelles dans une cellule.

L'une des deux nouvelles techniques, connu sous le nom d'éclairage à nappe de lumière inclinée, résout les problèmes de mise au point et de fonctionnalité qui surviennent avec les techniques d'éclairage existantes. Dans la plupart des microscopes optiques, l'échantillon de cellule est éclairé par le bas.

"C'est un problème si vous voulez étudier les détails d'une cellule car cela conduit à des images visuellement floues où seules certaines parties sont nettes - comme une photo prise sur une longue distance, " a déclaré Anna-Karin Gustavsson, stagiaire postdoctoral au laboratoire Moerner et auteur principal de l'article.

L'éclairage par nappe de lumière standard contourne ce problème en ne projetant qu'une tranche de lumière sur le côté pour obtenir un éclairage semblable à une crêpe de l'échantillon. Même avec cet avantage, si vous essayez de faire briller une nappe lumineuse au fond d'une cellule, il rebondit sur le coin de la chambre contenant l'échantillon, qui déforme l'image. En inclinant la nappe lumineuse, le laboratoire Moerner évite d'aller au coin de la rue.

En plus d'effacer l'encombrement visuel en inclinant la nappe lumineuse, le nouveau microscope comprend une méthode optique d'imagerie en 3D. Pour y parvenir, les chercheurs marquent les molécules de l'échantillon cellulaire avec des produits chimiques qui deviennent fluorescents lorsqu'ils sont allumés et utilisent des additifs chimiques pour les faire clignoter vivement. Puis, par ce que Moerner appelle "la magie optique, " le groupe ajuste le microscope pour convertir chaque clignotement fluorescent en deux spots de lumière à des angles différents. Avec ces deux spots, les chercheurs peuvent obtenir la position de chaque molécule en trois dimensions, qui renseigne l'image 3D finale.

Empiler leurs images 3D en crêpe les unes sur les autres, les chercheurs peuvent créer une reconstruction de haut en bas d'une cellule. L'imagerie par nappe de lumière inclinée permet également de suivre le mouvement 3D des molécules au cours du temps avec une précision de quelques dizaines de nanomètres, qui pourrait capturer des molécules se liant, se déplaçant par des moteurs ou se déplaçant au hasard à travers les structures de la cellule.

Combinant l'image claire et les capacités 3D de TILT3D avec les techniques de super-résolution existantes, le microscope peut créer des images précises à super-résolution - aussi petites que des dizaines de nanomètres ou environ 4, 000 fois plus petit qu'un cheveu humain est épais. Cela ouvre de nouvelles opportunités pour produire des images 3D détaillées des structures cellulaires des mammifères, même de ceux qui étaient auparavant trop denses pour imager clairement.

Prêt à partager

Dans le cadre de leur article, Moerner et les membres de son laboratoire ont testé avec succès leur microscope sur des structures cellulaires connues. Ils accompagnent déjà d'autres laboratoires dans le processus de duplication de ce microscope. La conception peut être un ajout modulaire aux microscopes optiques existants. À l'avenir, ils espèrent que leur imagerie d'éclairage par nappe de lumière inclinée en 3D sera utilisée pour un certain nombre de projets.

"TILT3D est plus simple que les autres microscopes qui ont été conçus pour l'imagerie de ces échantillons difficiles, et il peut être utilisé pour l'imagerie à la fois de structures statiques et de molécules en mouvement", a déclaré Gustavsson, qui est en partie soutenu par une bourse postdoctorale du Karolinska Institutet en Suède. "Nous l'avons conçu pour être polyvalent, pas lié à une question spécifique.

Les chercheurs continueront à travailler sur TILT3D, en particulier sur la combinaison des informations statiques et dynamiques de plusieurs protéines différentes. Aux côtés de leurs nombreuses autres innovations et études en imagerie cellulaire, ils espèrent que cette technologie pourra leur permettre, ainsi qu'à d'autres, d'en savoir plus sur les structures et les processus des cellules, une molécule à la fois.