Des chercheurs allemands du Helmholtz-Zentrum Berlin ont développé un nouveau microscope de nanotomographie à rayons X. Grâce à leur nouveau système, ils peuvent révéler les structures sur les plus petits composants des cellules de mammifères en trois dimensions.

Pour la première fois, il n'y a pas besoin de réparer chimiquement, colorer ou couper des cellules afin de les étudier. Au lieu, les cellules vivantes entières sont surgelées et étudiées dans leur environnement naturel. La nouvelle méthode fournit une image 3D immédiate, comblant ainsi un écart entre les techniques microscopiques conventionnelles.

Le nouveau microscope fournit une image 3D haute résolution de la cellule entière en une seule étape. C'est un avantage par rapport à la microscopie électronique, dans lequel une image 3-D est assemblée à partir de nombreuses sections minces. Cela peut prendre jusqu'à des semaines pour une seule cellule. Aussi, la cellule n'a pas besoin d'être marquée avec des colorants, contrairement à la microscopie à fluorescence, où seules les structures étiquetées deviennent visibles. Le nouveau microscope à rayons X exploite à la place le contraste naturel entre la matière organique et l'eau pour former une image de toutes les structures cellulaires. Le Dr Gerd Schneider et son équipe de microscopie à l'Institute for Soft Matter and Functional Materials ont publié leur développement dans Méthodes naturelles .

Avec la haute résolution obtenue par leur microscope, les chercheurs, en coopération avec des collègues du National Cancer Institute aux États-Unis, ont reconstruit des cellules d'adénocarcinome de souris en trois dimensions. Le moindre détail était visible :la double membrane du noyau cellulaire, pores nucléaires dans l'enveloppe nucléaire, canaux membranaires dans le noyau, de nombreuses invaginations de la membrane mitochondriale interne et des inclusions dans des organites cellulaires tels que les lysosomes. De telles informations seront cruciales pour faire la lumière sur les processus cellulaires internes :tels que la façon dont les virus ou les nanoparticules pénètrent dans les cellules ou dans le noyau, par exemple.

C'est la première fois que la soi-disant ultrastructure des cellules est imagée avec des rayons X avec une telle précision, jusqu'à 30 nanomètres. Dix nanomètres représentent environ un dix millième de la largeur d'un cheveu humain. L'ultrastructure est la structure détaillée d'un échantillon biologique qui est trop petit pour être vu avec un microscope optique.

Les chercheurs ont atteint cette haute résolution 3-D en illuminant les structures minuscules de l'objet gelé et hydraté avec une lumière partiellement cohérente. Cette lumière est générée par BESSY II, la source synchrotron de HZB. La cohérence partielle est la propriété de deux ondes dont la phase relative subit des fluctuations aléatoires qui ne le sont pas, cependant, suffisant pour rendre la vague complètement incohérente. L'éclairage avec une lumière cohérente partielle génère un contraste nettement plus élevé pour les détails des petits objets par rapport à un éclairage incohérent. En combinant cette approche avec un objectif haute résolution, les chercheurs ont pu visualiser les ultrastructures des cellules à un contraste jusqu'alors inégalé.

Le nouveau microscope à rayons X permet également plus d'espace autour de l'échantillon, ce qui conduit à une meilleure vue spatiale. Cet espace a toujours été fortement limité par la configuration de l'éclairage de l'échantillon. La lumière à rayons X monochromatique requise a été créée à l'aide d'une grille radiale, puis, de cette lumière, un diaphragme sélectionnerait la gamme de longueurs d'onde souhaitée. Le diaphragme devait être placé si près de l'échantillon qu'il n'y avait presque pas d'espace pour faire tourner l'échantillon. Les chercheurs ont modifié cette configuration :la lumière monochromatique est captée par un nouveau type de condenseur qui illumine directement l'objet, et le diaphragme n'est plus nécessaire. Cela permet à l'échantillon d'être tourné jusqu'à 158 degrés et observé en trois dimensions. Ces développements offrent un nouvel outil en biologie structurale pour une meilleure compréhension de la structure cellulaire.