Le virus de l'immunodéficience humaine, ou VIH, fait la guerre dans notre corps en utilisant une stratégie développée sur des millions d'années qui retourne nos propres machines cellulaires contre elles-mêmes. Malgré des progrès considérables dans la compréhension de la maladie, il y a encore des lacunes importantes. Pendant des années, des scientifiques de l'Université de l'Utah souhaitaient qu'il existe un moyen de visualiser en temps réel comment le virus et ses molécules interagissent avec les cellules humaines. Donc, un groupe de recherche en a développé un.

La nouvelle méthode utilise l'interférométrie pour capturer des visualisations à très haute résolution de millions de molécules se déplaçant à travers des gels visqueux ou une membrane plasmique. Ipsita Saha, doctorant en physique et auteur principal de l'étude, a développé une analyse de corrélation qui expliquait théoriquement comment le microscope d'interférométrie pouvait distinguer deux types de mouvement - le flux et la diffusion - et elle et l'auteur principal Saveez Saffarian l'ont vérifié expérimentalement. La méthode nous rapproche un peu plus de la visualisation de la façon dont les molécules interagissent dans une cellule vivante réelle.

« Il existe déjà des méthodes qui capturent la façon dont les molécules circulent et diffusent en deux dimensions. Nous voulions voir ce qui se passe dans l'ensemble de l'environnement cellulaire. Comment fonctionnent ces molécules ? Quels types d'interactions ont lieu ? dit Saha, qui est également affilié au Center for Cell and Genome Science (CCGS) de l'U.

"Jusque là, nous avons été laissés à imaginer ces interactions. Nous avons des moyens très limités d'entrer dans la cellule et d'observer comment toutes ces molécules dansent ensemble en même temps, " a déclaré l'auteur principal Saffarian, professeur agrégé de physique, professeur adjoint adjoint de biologie et affilié au CCGS. "Nous avions vraiment besoin de générer des méthodes à plus haute résolution qui puissent examiner la dynamique des molécules biologiques."

L'étude publiée dans la revue PLOS UN le 18 décembre 2019.

Flux et diffusion

Les cellules fonctionnent comme un bureau efficace. Les protéines et autres molécules effectuent des tâches, développer des produits, communiquer entre eux et se déplacer, quittent même leur cellule particulière pour patauger dans le monde plus vaste. Le mouvement est crucial pour que les molécules se trouvent et interagissent les unes avec les autres et avec leur environnement. Cette étude visait à distinguer deux types de mouvements :le flux et la diffusion.

Les molécules s'écoulent lorsqu'elles ont tendance à se déplacer dans une certaine direction. La diffusion, c'est quand les molécules se déplacent de manière aléatoire. Pour comprendre comment fonctionnent les cellules ou les virus, il est important de comprendre la mécanique de leur mouvement.

"Est-ce que ces molécules transportent des choses différentes d'un endroit à un autre, ou y a-t-il d'autres processus en cours?" a déclaré Saha. "Cette méthode permet spécifiquement de différencier le flux et la diffusion en trois dimensions."

Les chercheurs ont utilisé un microscope d'interférométrie, qui mesure la distance parcourue par la lumière à l'échelle nanométrique. Les molécules émettent des photons qui voyagent comme des ondes lumineuses, chacun avec des amplitudes et des fréquences spécifiques. Pour l'expérimentation, le microscope a divisé un faisceau de lumière en deux faisceaux qui ont parcouru des chemins différents, finalement revenir pour se rencontrer. Ces faisceaux se combinent en un prisme, et trois réflexions distinctes de leur combinaison sont imagées sur trois caméras. L'interférence est telle que si une molécule se déplace de 80 nanomètres, son image est déplacée sur une autre caméra. C'est une résolution extrêmement élevée - un globule rouge humain est d'environ 7, 000 nanomètres de diamètre. Les chercheurs ont mesuré la résolution en voxels, qui sont des pixels en trois dimensions.

Saha et Saffarian ont créé un gel de saccharose injecté de points quantiques, des cristaux nanométriques artificiels qui conduisent les électrons. Les points quantiques produisent un signal que le microscope peut détecter. En apprenant d'abord comment les points quantiques se déplacent dans le gel, les scientifiques ont validé leur technique, qui pourrait ensuite être appliqué à la façon dont les protéines se déplacent à l'intérieur d'une cellule. Ils ont refroidi le gel à température ambiante pour ralentir la substance à une vitesse que les caméras pourraient capturer.

« Vous pouvez réellement voir si les molécules vont dans une direction particulière ou si elles se déplacent de manière aléatoire. Et vous pouvez le faire de manière très, de très petits voxels sur une grande section transversale de l'échantillon, qui regorge d'informations, ", a déclaré Saffarian. Les scientifiques ont utilisé le Center for High Performance Computing de l'U pour traiter les énormes quantités de données.

Les chercheurs ont mesuré combien de temps ces ondes lumineuses se « souvenaient » les unes des autres en calculant la probabilité de combien de temps les ondes conserveraient leur amplitude et leur fréquence, appelé cohérence. La lumière émise par la même molécule apparaîtra dans les caméras avec la même cohérence. Ils ont utilisé la fonction de corrélation pour comprendre comment les molécules se déplaçaient et dans quelle direction. Si les faisceaux lumineux divisés se déplacent sur des chemins séparés à moins de 10 microns l'un de l'autre, ils se souviennent qu'ils sont issus de la même molécule. Lorsque les faisceaux lumineux se rencontrent à nouveau, ils se recombinent avec cette connaissance. S'ils ne se connaissent pas, ils ont une probabilité de 30% d'apparaître dans l'une des trois caméras. S'ils se souviennent l'un de l'autre, ils ont 100 % de probabilité d'apparaître dans une seule caméra, mais une probabilité de 0% d'apparaître dans les autres. Cette méthode mesure la lumière émise par des millions de molécules à la fois, ce qui rend cette méthode idéale pour étudier le flux et la diffusion à travers les cellules et les tissus.

Améliorer la technologie

Bien que cette méthode détecte le mouvement à travers les gels visqueux ou les membranes plasmiques, il est incapable de créer une carte des particules se déplaçant à travers une cellule réelle. Cependant, Saha et Saffarian collaborent maintenant avec des chercheurs de ThermoFisher Scientific (FEI) en Allemagne pour construire un prototype de microscope avec des détecteurs beaucoup plus rapides qui seront capables de capturer le mouvement dans les cellules vivantes. Ils font partie d'une demande de brevet pour la technologie et analyseront les données des expériences.

"Nous pouvons déjà utiliser cette méthode pour les processus lents, mais dans notre laboratoire, nous sommes des biologistes à un certain niveau. Nous voulons vraiment comprendre comment fonctionne la biologie, et la motivation derrière tout ce développement de méthode est de comprendre, quelle est la danse folle des molécules au sein des cellules et des tissus qui permet à une biologie vraiment exotique d'avancer ? Pour y arriver, nous avons besoin de détecteurs beaucoup plus rapides, " dit Saffarian.