En utilisant des méthodes de chimie physique pour regarder la biologie à l'échelle nanométrique, un chercheur du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) a inventé une nouvelle technologie pour imager des molécules uniques avec une résolution spectrale et spatiale sans précédent, menant ainsi au premier microscope à super-résolution « vraies couleurs ».

Ke Xu, chercheur au sein de la division des sciences de la vie du Berkeley Lab, a baptisé son innovation SR-STORM, ou la microscopie de reconstruction optique stochastique à résolution spectrale. Parce que SR-STORM fournit des informations spectrales et spatiales complètes pour chaque molécule, la technologie ouvre la porte à l'imagerie haute résolution de plusieurs composants et des environnements chimiques locaux, comme les variations de pH, à l'intérieur d'une cellule.

La recherche a été publiée dans la revue Méthodes naturelles dans un article intitulé, "Spectroscopie à molécule unique à très haut débit et microscopie à super-résolution à résolution spectrale, " avec les co-auteurs Zhengyang Zhang, Samuel Kenny, Marguerite Hauser, et Wan Li, tout l'UC Berkeley. Xu est également professeur adjoint au département de chimie de l'UC Berkeley.

"Nous mesurons à la fois la position et le spectre de chaque molécule individuelle, tracer sa position spatiale super-résolue en deux dimensions et colorer chaque molécule selon sa position spectrale, donc dans ce sens, c'est la microscopie super-résolution en couleurs vraies, qui est le premier du genre, " dit Xu. " C'est un nouveau type d'imagerie, combinant la mesure spectrale d'une molécule unique avec la microscopie à super-résolution."

Quoi de plus, SR-STORM est à haut débit, capable de fournir des informations spatiales et spectrales pour des millions de molécules uniques en cinq minutes environ, par rapport à plusieurs minutes pour une seule trame d'image comprenant des dizaines de molécules en utilisant les techniques conventionnelles basées sur le balayage.

Xu s'est appuyé sur le travail qu'il a effectué en tant que chercheur postdoctoral à Harvard avec Xiaowei Zhuang, qui a inventé STORM, une méthode de microscopie à super-résolution basée sur l'imagerie d'une molécule unique et la photocommutation. En concevant un système à double objectif avec deux lentilles de microscope se faisant face, Xu et ses collègues ont vu l'avant et l'arrière de l'échantillon en même temps et ont obtenu une résolution optique sans précédent (d'environ 10 nanomètres) d'une cellule. En utilisant cette méthode pour imager les neurones, ils ont montré que l'actine, un élément clé du cytosquelette (colonne vertébrale de la cellule), a une structure différente dans les axones que dans les dendrites, deux parties d'un neurone.

Mais les techniques actuelles de microscopie à super-résolution ne fournissent pas d'informations spectrales, ce qui est utile aux scientifiques pour comprendre le comportement de molécules individuelles, ainsi que pour permettre une imagerie multicolore de haute qualité de plusieurs cibles.

"Nous avons donc construit un système à double objectif mais dispersé l'image d'une molécule unique collectée par un objectif dans le spectre tout en conservant l'autre image pour la localisation d'une molécule unique, " dit Xu. " Maintenant, nous accumulons simultanément le spectre des molécules individuelles et aussi leur position, nous avons donc résolu l'énigme."

Ensuite, ils ont teint l'échantillon avec 14 colorants différents dans une fenêtre d'émission étroite et ont excité et photocommuté les molécules avec un laser. Alors que les spectres des 14 colorants se chevauchent fortement car ils sont proches en émission, ils ont découvert que les spectres des molécules individuelles étaient étonnamment différents et donc facilement identifiables. "C'est utile car cela signifie que nous avions un moyen de faire de l'imagerie multicolore dans une fenêtre d'émission très étroite, " dit Xu.

En effet, en utilisant quatre colorants pour marquer quatre structures subcellulaires différentes, comme les mitochondries et les microtubules, ils ont pu distinguer facilement des molécules de différents colorants sur la seule base de leur moyenne spectrale, et chaque structure subcellulaire avait une couleur distincte.

"Donc, en utilisant cette méthode, nous pouvons examiner les interactions entre quatre composants biologiques à l'intérieur d'une cellule en trois dimensions et à très haute résolution d'environ 10 nanomètres, " Xu a dit. " Les applications sont principalement dans la recherche fondamentale et la biologie cellulaire à ce stade, mais j'espère que cela conduira à des applications médicales. Cela nous donne de nouvelles opportunités d'examiner les structures cellulaires, comment ils sont construits, et s'il y a une dégradation de ces structures dans les maladies."

De nombreuses maladies sont causées soit par un agent pathogène envahissant, soit par la dégradation de la structure interne d'une cellule. Alzheimer, par exemple, peut être liée à la dégradation du cytosquelette à l'intérieur des neurones. "Le système du cytosquelette est composé d'une multitude de structures et de protéines subcellulaires en interaction, et notre technique permettra des recherches sur les interactions entre ces différentes cibles avec un nombre de canaux de couleur et une résolution spatiale sans précédent, " il a dit.

Prochain, Xu essaie d'affiner la méthode en utilisant un système à objectif unique, et le faire fonctionner avec des systèmes de microscope conventionnels, le rendant ainsi plus largement accessible. Il essaie également de développer des colorants et des sondes adaptés pour surveiller l'environnement local, comme le pH, dans des cellules vivantes à l'échelle nanométrique.