Il y a six ans, le prix Nobel de chimie a été décerné à trois scientifiques pour avoir trouvé des moyens de visualiser les voies de molécules individuelles à l'intérieur des cellules vivantes.

Maintenant, des chercheurs de l'Université de Rochester et de l'Institut Fresnel en France ont trouvé un moyen de visualiser ces molécules encore plus en détail, montrant leur position et leur orientation en 3D, et même comment ils vacillent et oscillent. Les travaux pourraient apporter des informations précieuses sur les processus biologiques impliqués, par exemple, lorsqu'une cellule et les protéines qui régulent ses fonctions réagissent au virus qui cause le COVID-19.

"Quand une protéine change de forme, il expose d'autres atomes qui améliorent le processus biologique, ainsi le changement de forme d'une protéine a un effet énorme sur d'autres processus à l'intérieur de la cellule, " dit Sophie Brasselet, directeur de l'Institut Fresnel, qui a collaboré avec Miguel Alonso et Thomas Brown, tous deux professeurs d'optique à Rochester.

Surnommée CHIDO—pour "Coordinate and Height super-resolution Imaging with Dithering and Orientation"—la technologie est décrite dans un nouvel article publié dans Communication Nature . Conçu et construit par les auteurs principaux Valentina Curcio, un doctorat étudiant dans le groupe de Brasselet, et Luis Aleman-Castaneda, un doctorat étudiant dans le groupe d'Alonso, CHIDO est précis dans "des dizaines de nanomètres en position et quelques degrés d'orientation" dans la détermination des paramètres de molécules individuelles, " rapporte l'équipe.

A l'aide d'une plaque de verre soumise à une contrainte uniforme tout autour de sa périphérie, le dispositif peut créer et extrapoler des oscillations de longueur d'onde et des changements de polarisation qui se produisent lorsque des molécules sont observées dans un microscope à fluorescence. La nouvelle technologie transforme l'image d'une seule molécule en un point focal déformé, dont la forme encode directement des informations 3D plus précises que les outils de mesure précédents. En effet, CHIDO peut produire des faisceaux qui ont tous les états de polarisation possibles.

"C'est l'une des beautés de l'optique, " dit Brown. " Si vous avez un appareil qui peut créer à peu près n'importe quel état de polarisation, alors vous avez également un appareil qui peut analyser à peu près n'importe quel état de polarisation possible."

La plaque de verre est originaire du laboratoire de Brown dans le cadre de son intérêt de longue date pour le développement de faisceaux avec des polarisations inhabituelles. Alonso, un expert de la théorie de la polarisation, travaillé avec Brown sur les moyens d'affiner cet "appareil très simple mais très élégant" et d'étendre ses applications. Lors d'une visite à Marseille, Alonso a décrit la plaque à Brasselet, un expert en nouvelle instrumentation pour la fluorescence et l'imagerie non linéaire. Brasselet a immédiatement suggéré son utilisation possible dans les techniques de microscopie sur lesquelles elle travaillait pour imager des molécules individuelles.

"C'est une équipe très complémentaire, " dit Brasselet.

20 ans dans la fabrication

En 1873, Ernst Abbe stipulait que les microscopes n'obtiendraient jamais une résolution meilleure que la moitié de la longueur d'onde de la lumière. Cet obstacle a résisté jusqu'à ce que les lauréats du prix Nobel Eric Betzig et William Moerner - avec leur microscopie à molécule unique - et Stefan Hell - avec sa microscopie à déplétion par émission stimulée - trouvent des moyens de le contourner.

« Grâce à leurs réalisations, le microscope optique peut désormais scruter le nanomonde, " rapportait le comité Nobel en 2014.

"Ce qui manquait à ce prix Nobel et aux travaux des années suivantes, c'était la capacité non seulement de connaître avec précision l'emplacement d'une molécule, mais pouvoir caractériser sa direction et surtout son mouvement en trois dimensions, ", dit Brown.

En réalité, la solution marron, Alonso, et Brasselet décrivent maintenant ses origines il y a 20 ans.

À partir de 1999, Brown et l'un de ses doctorants. étudiants, Kathleen Youngworth, a commencé à étudier des faisceaux optiques inhabituels qui présentaient des modèles inhabituels de polarisation optique, l'orientation de l'onde optique. Certains des faisceaux présentaient un motif radial en forme de rayon avec des propriétés intrigantes.

Youngworth a démontré sur une table que, lorsqu'il est bien concentré, les faisceaux présentaient des composantes de polarisation qui pointaient dans presque toutes les directions en trois dimensions.

Alexis Spilman Vogt, un autre doctorat candidat, puis travaillé avec Brown pour créer les mêmes effets en appliquant une contrainte sur les bords d'un cylindre de verre. le beau-frère de Brown, Robert Sampson, un spécialiste de l'outillage et de l'outillage, a été appelé à fabriquer des échantillons et à les placer dans des anneaux métalliques pour une utilisation avec un microscope confocal.

Cela impliquait de chauffer à la fois les anneaux de verre et de métal. "Le métal se dilate plus rapidement lorsque vous le chauffez que le verre, " Brown dit, "et ainsi vous pourriez chauffer le verre et le métal très chaud, insérer le verre au milieu du métal, et en refroidissant, le métal rétrécirait et créerait une force énorme sur la périphérie du verre. »

Sampson a appliqué par inadvertance plus de stress que prévu avec l'une des plaques. Dès que son beau-frère le lui a remis, Brown savait que la plaque avait des qualités inhabituelles. Le groupe de Rochester a introduit le terme « optique d'ingénierie de contrainte » pour décrire les éléments et, à mesure qu'ils en apprenaient davantage sur le comportement physique et les mathématiques, ils ont réalisé que les fenêtres pouvaient être la voie à suivre pour résoudre des problèmes entièrement nouveaux en microscopie.

Et ce fut l'origine de ce qui est maintenant CHIDO, lequel, par coïncidence, se trouve être l'argot mexicain pour "cool".

"A l'époque, Alexis et moi savions que le verre anti-stress était intéressant, et aurait probablement des applications utiles ; nous ne savions tout simplement pas à l'époque ce qu'ils pouvaient être, " dit Brown. Maintenant, grâce à sa collaboration avec Alonso et Brasselet, il espère que CHIDO « captera l'imagination » d'autres chercheurs dans le domaine qui pourront aider à affiner et à appliquer davantage la technologie.