Tiffany Victor, scientifique de la NSLS-II, est montrée à la nanosonde à rayons X durs, où son équipe a produit des cartes chimiques en 3D de bactéries uniques avec une résolution à l'échelle nanométrique. Crédit :Laboratoire national de Brookhaven
Les scientifiques de la National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) - une installation utilisateur du bureau des sciences du département de l'Énergie des États-Unis (DOE) au Brookhaven National Laboratory du DOE - ont utilisé des rayons X ultra-brillants pour imager des bactéries uniques avec une résolution spatiale plus élevée que jamais. . Leur travail, Publié dans Rapports scientifiques , démontre une technique d'imagerie par rayons X, appelé microscopie à fluorescence X (XRF), comme une approche efficace pour produire des images 3D de petits échantillons biologiques.
"Pour la toute première fois, nous avons utilisé le XRF à l'échelle nanométrique pour imager les bactéries jusqu'à la résolution d'une membrane cellulaire, " a déclaré Lisa Miller, un scientifique à NSLS-II et un co-auteur de l'article. "L'imagerie des cellules au niveau de la membrane est essentielle pour comprendre le rôle de la cellule dans diverses maladies et développer des traitements médicaux avancés."
La résolution record des images radiographiques a été rendue possible par les capacités avancées de la ligne de lumière Hard X-ray Nanoprobe (HXN), une station expérimentale à NSLS-II avec une nouvelle optique de nanofocalisation et une stabilité exceptionnelle.
"HXN est la première ligne de lumière XRF à générer une image 3D avec ce type de résolution, ", a déclaré Miller.
Alors que d'autres techniques d'imagerie, comme la microscopie électronique, peut imager la structure d'une membrane cellulaire à très haute résolution, ces techniques sont incapables de fournir des informations chimiques sur la cellule. Chez HXN, les chercheurs pourraient produire des cartes chimiques en 3D de leurs échantillons, identifier où se trouvent les oligo-éléments dans toute la cellule.
"Chez HXN, nous prenons une image d'un échantillon sous un angle, faire pivoter l'échantillon à l'angle suivant, prendre une autre image, etc, " a déclaré Tiffany Victor, auteur principal de l'étude et scientifique à NSLS-II. "Chaque image montre le profil chimique de l'échantillon à cette orientation. Ensuite, nous pouvons fusionner ces profils pour créer une image 3D."
Les images XRF montrent le zinc (B), calcium (C), distributions de chlore (D) dans les bactéries individuelles. L'image XRF E montre les trois éléments dans la cellule. L'image A montre des bactéries incrustées dans des cristaux de chlorure de sodium. Crédit :Laboratoire national de Brookhaven
Miller a ajouté, "L'obtention d'une image XRF 3-D, c'est comme comparer une radiographie ordinaire que vous pouvez obtenir au cabinet du médecin à un scanner."
Les images produites par HXN ont révélé que deux oligo-éléments, calcium et zinc, avaient des distributions spatiales uniques dans la cellule bactérienne.
"Nous pensons que le zinc est associé aux ribosomes des bactéries, " dit Victor. " Les bactéries n'ont pas beaucoup d'organites cellulaires, contrairement à une cellule eucaryote (complexe) qui a des mitochondries, un noyau, et bien d'autres organites. Donc, ce n'est pas l'échantillon le plus excitant à imager, mais c'est un joli système modèle qui démontre superbement la technique d'imagerie."
Yong Chu, qui est le scientifique principal de la ligne de lumière chez HXN, dit que la technique d'imagerie est également applicable à de nombreux autres domaines de recherche.
« Cette technique d'imagerie chimique 3D ou de nanotomographie par fluorescence gagne en popularité dans d'autres domaines scientifiques, " dit Chu. "Par exemple, nous pouvons visualiser comment la structure interne d'une batterie se transforme pendant qu'elle est chargée et déchargée."
Une vue 3-D de la bactérie unique produite par XRF. Crédit :Laboratoire national de Brookhaven
En plus de briser les barrières techniques sur la résolution de l'imagerie par rayons X avec cette technique, les chercheurs ont développé une nouvelle méthode d'imagerie des bactéries à température ambiante lors des mesures aux rayons X.
"Idéalement, L'imagerie XRF doit être réalisée sur des échantillons biologiques congelés qui sont cryoconservés pour éviter les dommages causés par les rayonnements et pour obtenir une compréhension plus pertinente sur le plan physiologique des processus cellulaires, " , a déclaré Victor. nous n'avons pas pu étudier l'échantillon à l'aide d'un cryostage. Au lieu, nous avons intégré les cellules dans de petits cristaux de chlorure de sodium et avons imagé les cellules à température ambiante. Les cristaux de chlorure de sodium ont maintenu la forme en bâtonnet des cellules, et ils ont rendu les cellules plus faciles à localiser, réduisant le temps d'exécution de nos expériences."
Les chercheurs disent que démontrer l'efficacité de la technique d'imagerie par rayons X, ainsi que la méthode de préparation des échantillons, était la première étape d'un projet plus vaste visant à imager des oligo-éléments dans d'autres cellules biologiques à l'échelle nanométrique. L'équipe s'intéresse particulièrement au rôle du cuivre dans la mort neuronale dans la maladie d'Alzheimer.
"Les oligo-éléments comme le fer, le cuivre, et le zinc sont essentiels sur le plan nutritionnel, mais ils peuvent aussi jouer un rôle dans la maladie, " Miller a déclaré. "Nous cherchons à comprendre l'emplacement subcellulaire et la fonction des protéines contenant des métaux dans le processus de la maladie pour aider à développer des thérapies efficaces."
