(Phys.org) -- Des chercheurs du Georgia Institute of Technology et de l'Université de Californie à San Francisco ont amélioré la capacité des scientifiques à visualiser une image claire d'une seule structure cellulaire en mouvement. En identifiant des molécules à l'aide de la détection compressée, cette nouvelle méthode fournit la résolution spatiale nécessaire ainsi qu'une résolution temporelle plus rapide qu'auparavant.

Malgré de nombreuses réalisations dans le domaine de la microscopie à super-résolution au cours des dernières années avec les progrès de la résolution spatiale, l'imagerie des cellules vivantes est restée un défi en raison de la nécessité d'une résolution temporelle élevée.

Maintenant, Lei Zhu, professeur adjoint à la George W. Woodruff School of Mechanical Engineering de Georgia Tech, et Bo Huang, professeur assistant au département de chimie pharmaceutique et au département de biochimie et biophysique de l'UCSF, ont développé une approche avancée utilisant la microscopie à super-résolution pour résoudre les caractéristiques cellulaires d'un ordre de grandeur inférieur à ce qui pouvait être vu auparavant. Cela permet aux chercheurs d'exploiter des informations auparavant inaccessibles et de répondre à de nouvelles questions biologiques.

La recherche a été publiée le 22 avril 2012 dans la revue Méthodes naturelles . La recherche est financée par les National Institutes of Health, Programme UCSF pour la recherche biomédicale de pointe, Bourse Searle et bourse Packard pour la science et l'ingénierie.

La technologie précédente utilisant l'approche de commutation de molécule unique pour la microscopie à super-résolution dépend de la diffusion d'images d'une molécule unique en plusieurs, souvent des milliers, cadres de caméra. Il est extrêmement limité dans sa résolution temporelle et ne permet pas de suivre les processus dynamiques dans les cellules vivantes.

« Nous pouvons maintenant utiliser notre découverte en utilisant la microscopie à super-résolution avec une résolution temporelle en quelques secondes ou même en dessous d'une seconde pour un large champ de vision afin de suivre de nombreux processus cellulaires plus dynamiques, ", a déclaré Zhu. "Une grande partie de notre connaissance de la vie d'une cellule vient de notre capacité à voir les petites structures qu'elle contient."

Huang a noté, « Une candidature, par exemple, est d'étudier comment les mitochondries, la centrale électrique de la cellule, interagissent avec d'autres organites et le cytosquelette pour remodeler la structure au cours du cycle de vie de la cellule.

Actuellement, microscopie optique, en particulier sous la forme moderne de la microscopie à fluorescence, est encore fréquemment utilisé par de nombreux biologistes. Cependant, les auteurs disent, la microscopie optique conventionnelle a une limitation majeure :l'incapacité à résoudre deux objets à moins de la moitié de la longueur d'onde de la lumière en raison du phénomène appelé diffraction. Avec diffraction, les images semblent floues et se chevauchent, quel que soit le grossissement utilisé.

« La limite de diffraction a longtemps été considérée comme l'une des contraintes fondamentales de la microscopie optique jusqu'aux récentes inventions des techniques de microscopie à fluorescence à super-résolution, ", a déclaré Zhu. Méthodes de microscopie super-résolution, comme la microscopie de reconstruction optique stochastique (STORM) ou la microscopie de localisation photoactivée (PALM), reposent sur la capacité d'enregistrer l'émission lumineuse d'une seule molécule dans l'échantillon.

En utilisant des molécules sondes qui peuvent être commutées entre un état visible et un état invisible, STORM/PALM détermine la position de chaque molécule d'intérêt. Ces positions définissent finalement une structure.

La nouvelle découverte est importante, dirent Zhu et Huang, car ils ont montré que la technologie permet de suivre la dynamique d'un cytosquelette de microtubules avec une résolution temporelle de trois secondes, ce qui permettrait aux chercheurs d'étudier les transports actifs de vésicules et autres cargaisons à l'intérieur de la cellule.

Utilisant le même système optique et le même détecteur qu'en microscopie optique conventionnelle, la microscopie super-résolution nécessite naturellement un temps d'acquisition plus long pour obtenir plus d'informations spatiales, conduisant à un compromis entre sa résolution spatiale et temporelle. Dans les méthodes de microscopie à super-résolution basées sur STORM/PALM, chaque image de la caméra échantillonne un sous-ensemble très clairsemé de molécules sondes dans l'échantillon.

Une approche alternative consiste à augmenter la densité des fluorophores activés afin que chaque cadre de caméra échantillonne davantage de molécules. Cependant, cette forte densité de spots fluorescents les fait se chevaucher, invalidant la méthode de localisation de molécule unique largement utilisée.

Les auteurs ont déclaré qu'un certain nombre de méthodes ont été signalées récemment qui peuvent récupérer efficacement des positions de molécule unique même lorsque les signaux de fluorophore uniques se chevauchent. Ces méthodes sont basées sur l'ajustement de grappes de points superposés avec un nombre variable de fonctions d'étalement de points (PSF) avec soit une estimation du maximum de vraisemblance, soit des statistiques bayésiennes. La méthode bayésienne a également été appliquée à l'ensemble des images.

À la suite de nouvelles recherches, Zhu et Huang présentent une nouvelle approche basée sur l'optimisation globale utilisant la détection compressée, ce qui n'implique pas d'estimer ou de supposer le nombre de molécules dans l'image. Ils montrent que la détection compressée peut fonctionner avec des densités de molécules beaucoup plus élevées par rapport à d'autres technologies et démontrent l'imagerie de cellules vivantes de microtubules marqués par des protéines fluorescentes avec une résolution temporelle de trois secondes.

L'expérience STORM utilisée par les auteurs, avec des microtubules immunocolorés dans des cellules de Drosophila melanogaster S2, a démontré que les microtubules à proximité peuvent être résolus par détection compressée en utilisant aussi peu que 100 images de caméra, alors qu'ils n'étaient pas discernables par la méthode d'ajustement d'une molécule unique. Ils ont également réalisé STORM en direct sur des cellules S2 exprimant de manière stable la tubuline fusionnée à mEos2.

À la fréquence d'images de la caméra couramment utilisée de 56,4 Hertz, un film super-résolution a été construit avec une résolution temporelle de trois secondes (169 images) et une résolution Nyquist de 60 nanomètres, beaucoup plus rapide que précédemment signalé, dirent Zhu et Huang. Ces résultats ont prouvé que la détection compressée peut permettre à STORM de surveiller les processus cellulaires en direct avec une résolution temporelle de seconde échelle, ou même une résolution inférieure à la seconde si une caméra plus rapide peut être utilisée.