L'Université de Californie, La salle blanche de nanofabrication de San Diego (Nano3) est la première institution à obtenir un nouveau microscope à double faisceau FEI Scios, avec une adaptation pour une utilisation à des températures cryogéniques. Le nouveau microscope permettra la recherche parmi une base d'utilisateurs très diversifiée, allant de la science des matériaux à la biologie structurale et moléculaire.

Comme l'explique le directeur technique de Nano3, Bernd Fruhberger :« Il existe un intérêt considérable pour l'utilisation de cet instrument parmi les professeurs de plusieurs départements. Les départements de nano-ingénierie, Génie des matériaux et de l'aérospatiale, Génie électrique et informatique, Chimie, La physique et la biologie à l'UC San Diego ont tous des projets nécessitant cet outil, et ont été activement impliqués dans la réalisation de l'achat de l'outil.

"L'instrument offre des capacités de pointe pour la coupe transversale, préparation de sections pour la microscopie électronique à transmission et plus, " il ajoute, "mais ce qui le différencie vraiment, c'est la nouvelle capacité cryogénique, qui permettra aux biologistes cellulaires de voir les structures des cellules biologiques avec une résolution plus élevée pour mieux comprendre comment les cellules fonctionnent au niveau moléculaire. Cela pourrait éventuellement ouvrir la voie à de nouveaux traitements et à la découverte de médicaments. »

Villa Elisabeth, un nouveau professeur assistant au Département de chimie et de biochimie de l'UC San Diego, avec ses collègues de l'institut allemand de biochimie Max Planck, a adapté un microscope à faisceau d'ions focalisé pour des applications biologiques au cours de ses études postdoctorales. La conception a été adoptée par la société néerlandaise FEI dans un prototype unique que Villa développera davantage à l'UC San Diego en collaboration avec la société.

Villa note que l'UC San Diego a une tradition académique établie dans le domaine de l'imagerie moléculaire - reflétée notamment dans les travaux du biochimiste Roger Tsien. Tsien a remporté le prix Nobel de chimie 2008 pour la découverte et le développement de la protéine fluorescente verte, qui a révolutionné les domaines de la biologie cellulaire et de la neurobiologie en permettant aux scientifiques de scruter l'intérieur des cellules vivantes et d'observer leur comportement en temps réel.

"Ce que je fais est similaire, " explique Villa, "seulement j'utilise la microscopie électronique, ce qui nous donne des images à plus haute résolution. L'idée derrière notre méthode est de réunir des gens qui font de la biologie structurale avec des gens qui font de la biologie cellulaire en utilisant un nouvel outil qui va nous permettre de voir les structures des cellules, en haute résolution, et mieux comprendre ce que font les molécules."

Pour expliquer la différence entre la microscopie optique (qui a rendu possible le travail de Tsien) et son travail en microscopie électronique, Villa invoque une métaphore.

"La microscopie optique, c'est comme donner des lanternes à un groupe de personnes dans une ville. Vous pouvez voir où se trouvent ces personnes, mais vous ne pouvez pas voir ce qui se passe autour d'eux. Avec la microscopie électronique, vous pouvez voir les gens avec des lanternes (les molécules d'une cellule) et vous pouvez également voir les murs et les bâtiments de la ville (la structure de la cellule)."

Mais la microscopie électronique a son revers. Traditionnellement, être visible, les cellules doivent être préparées au préalable en les séchant et en les tachant avec ce que Villa équivaut à une "couche épaisse de peinture". Cependant, la plupart des cellules sont trop épaisses pour être étudiées de cette façon, et c'est ce qui fait de l'outil Scios un game changer :il permet à Villa de contourner la coloration et de nano-machiner les cellules pour les réduire à l'épaisseur requise pour la microscopie électronique - environ quelques dixièmes de micron - sans créer de distorsion de l'échantillon et tout en maintenant cryogénique températures (généralement la température de l'azote liquide).

Villa ajoute :« Il y a des gens sur le campus, comme le professeur de neurosciences Mark Ellisman, qui font un travail magnifique en concevant et en utilisant ces types de taches, mais lorsque l'objectif est d'obtenir une image haute résolution des cellules où la question consiste à déterminer les détails structurels, vous voulez éviter d'avoir cette couche supplémentaire sur eux. Ce serait comme avoir une couche de peinture sur votre visage et ensuite essayer de compter combien de cils vous avez. Vous seriez en faillite."

Villa compare le processus d'étude des cellules (typiquement des cellules eucaryotes, dans son cas) à des températures cryogéniques pour « flasher » la « ville » cellulaire dans sa métaphore précédente.

"Tout dans la cellule se fige dans la position où il se trouvait afin que nous puissions mieux voir, " dit-elle. " Une chose que j'ai étudiée est quelque chose connu sous le nom de complexe de pore nucléaire, qui est le gardien du noyau. Il maintient l'ADN à l'intérieur du noyau et à l'écart des autres parties de la cellule. Si nous devions le sortir entièrement de la cellule pour l'étudier, ça n'aurait pas beaucoup de sens, c'est pourquoi nous devons le congeler en place.

"Avec les techniques de la tomographie cryoélectronique, nous pouvons créer des images 3D des cellules appelées tomogrammes, " poursuit-elle. " Ce que je fais est exactement équivalent à un scanner (tomodensitométrie), sauf que les cellules sont un million de fois plus petites. Nous pouvons prendre ces images 3D et les regarder dans le StarCAVE ou NexCAVE (Qualcomm Institute) agrandi et en couleur, et avoir une meilleure idée de ce qui se passe."

Villa ajoute qu'un autre avantage de la cryomicroscopie électronique est la capacité d'inférer la dynamique cellulaire au fil du temps, "ou ce que nous appelons en physique 'ergodicité'. je peux en regarder 3, 000 pores nucléaires congelés à différents moments pour en déduire la dynamique cellulaire, classer toutes ces informations et ensuite faire des prédictions. Nous pouvons ensuite faire une expérience de microscopie optique in vivo (avec une cellule vivante) et corréler ce que nous voyons avec les données précédentes que nous avons recueillies."

Villa souligne qu'en utilisant le double faisceau de Scios pour le nano-usinage de matériaux biologiques, elle est en quelque sorte, "détourner un outil que les scientifiques des matériaux utilisent tout le temps dans la nanofabrication de matériaux."

Le microscope Scios facilitera également la recherche planifiée dirigée par l'UC San Diego sur les maladies neurodégénératives, dit Villa, ainsi que la recherche sur le cancer et les maladies cardiaques.

"De nombreux types de perturbations ou de phénotypes qui proviennent d'une maladie ou d'une guérison d'une maladie vont pouvoir être examinés à l'aide du microscope Scios, » note-t-elle. « Il est important de noter qu'il s'agit d'un premier pas et qu'il reste beaucoup de travail à faire, mais cela nous place dans un endroit vraiment passionnant où nous visons à examiner les structures moléculaires dans leur contexte naturel :de la cellule au niveau de l'organisme. »