Les conversations avec le physicien Ralf Jungmann demandent une grande concentration. Il en emmène un à un rythme effréné à travers un monde incroyablement minuscule, un monde qui, selon les lois de l'optique, n'est pas directement accessible, même aux meilleurs microscopes optiques. C'est aussi le microcosme dans lequel les processus biologiques sont chez eux. Ses habitants sont les métabolites et les macromolécules dont les interactions déterminent le cours et les limites de notre vie – et nous en savons encore très peu à son sujet.

Mais l'ambition de Ralf Jungmann est de faire entrer chaque machine moléculaire de la cellule dans le champ de la microscopie optique, une tâche qui le conduit inévitablement aux frontières du physiquement faisable. Avec son équipe de 11 membres, Jungmann, qui vient d'être nommé professeur au LMU, développe un microscope dit super-résolution pour des applications biomédicales, qui est conçu pour imager les structures cellulaires à l'aide de techniques de marquage basées sur l'ADN. Le projet a reçu un financement de programmes de subventions très sélectifs gérés par la Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) et le Conseil européen de la recherche (ERC).

Le domaine de la microscopie à super-résolution est devenu très encombré ces dernières années, et beaucoup a été accompli qui semblait impossible il n'y a pas si longtemps. Jungmann (35) débite les acronymes des nouvelles techniques apparues, de STED, Microscopie STORM et PALM au fascinant microscope Lattice Light Sheet, qui scanne les cellules systématiquement niveau par niveau. Alors que l'auditeur se demande en quoi ces différentes approches diffèrent, Jungmann remarque en riant :« En principe, ils sont tous très semblables les uns aux autres. » Dans des moments comme celui-ci, on se rend compte que cette familiarité désinvolte est le produit d'un travail acharné et d'une réflexion acharnée - étant donné que l'on a affaire à des méthodes à la pointe de la technologie actuelle. Il y a moins de 2 ans, en 2014, le physicien Stefan Hell à Göttingen a partagé le prix Nobel de chimie avec les Américains Eric Betzig et William E. Moerner. Tous trois avaient trouvé des moyens de contourner la limite de diffraction classique et d'améliorer le niveau de résolution de la microscopie optique jusqu'à 10 fois. Depuis, ils ont encore étendu la limite, dans la région du nanomètre.

L'art de créer des motifs

"Mon objectif est de booster la résolution de la microscopie à fluorescence en la combinant avec des outils issus du monde de la nanotechnologie de l'ADN, comme l'origami ADN, pour préparer des sondes fluorescentes très spécifiques, " explique Jungmann. Par ce moyen, on peut atteindre un niveau de résolution qui permet de visualiser des structures au niveau moléculaire. « Origami d'ADN » est un autre terme qui revient constamment dans les nanosciences. Par analogie au mot japonais qu'il emprunte, il fait référence à l'art de créer des motifs et des structures tridimensionnelles – non pas à partir d'une feuille de papier mais d'un ensemble de brins d'ADN.

Pour comprendre des systèmes biologiques complexes, il faut être capable d'explorer le nanomonde. Cependant, les microscopes optiques conventionnels ne peuvent pas pénétrer dans ce domaine, car la loi de la diffraction optique restreint la résolution aux structures d'environ 200 nanomètres (nm). Cela empêche la localisation subcellulaire des protéines qui fournissent les catalyseurs, récepteurs et échafaudages structuraux essentiels à la fonction cellulaire, car de nombreuses protéines ne mesurent que quelques nm de diamètre. "Je veux développer des technologies qui nous aideront à résoudre des problèmes biologiques, " dit Jungmann. " Mon objectif est de visualiser à la résolution la plus élevée possible des centaines - non, des milliers - des composants dans les cellules, que ce soit des protéines, des gènes ou des molécules d'ARN. Et je veux rendre la technique si simple qu'un laboratoire normal n'importe où dans le monde puisse l'utiliser."

Ce sont de nobles objectifs, mais Jungmann a fait des progrès considérables vers leur réalisation. En tant qu'étudiant et post-doctorant, il a reçu plusieurs prix et bourses, du Service allemand d'échanges universitaires et de la Fondation Humboldt. Il a développé un intérêt pour le nanomonde lors de la rédaction de sa thèse de diplôme (sur les effets de la contrainte sur la structure fine de l'os humain) à l'Université de Californie à Santa Barbara, lorsqu'il est tombé sur un article du chercheur américain Paul Rothemund. L'étude a décrit comment des brins d'ADN avec des séquences définies pourraient être utilisés pour s'auto-assembler en motifs et figures de taille nanométrique, y compris le smiley emblématique. "Je l'ai trouvé absolument fascinant." Jungmann est retourné en Allemagne et a rejoint le laboratoire de nanotechnologie de l'ADN dirigé par Friedrich Simmel, Professeur de bioélectronique à l'Université technique de Munich (TUM). "Nous avons été les pionniers de la technique de l'origami ADN en Allemagne, " dit-il. Jungmann s'est vite rendu compte que les outils du monde de l'origami pouvaient être utilisés pour la microscopie. Avec son expertise nouvellement acquise, il est retourné aux États-Unis pour rejoindre Harvard.

Planches d'expérimentation moléculaires

L'origami d'ADN fournit une méthode pour construire des nanostructures qui peuvent servir de stations d'accueil - un peu comme les trous dans une maquette électronique - pour des molécules telles que des agents fluorescents qui peuvent être visualisées par microscopie. Jungmann se concentre désormais sur le développement de nouveaux tags fluorescents, dont les caractéristiques d'émission peuvent être étroitement contrôlées et différenciées - le tout au service d'une résolution optique croissante. "La décision de revenir à Munich et plus précisément à LMU a été facile, " dit-il. " Les universités et les instituts Max Planck (MPI) offrent des conditions idéales pour la recherche. " Son CV se lit comme un modèle de planification minutieuse, et il raconte une histoire à succès. Il est co-fondateur d'une entreprise aux États-Unis, et détient une douzaine de brevets – un record impressionnant pour un homme de 35 ans. « Cela ressemble à de la simple navigation rétrospectivement, mais en fait beaucoup dépendaient de rencontres fortuites et de décisions fondées sur l'instinct. suivre son instinct en choisissant des laboratoires où l'on peut apprendre quelque chose de nouveau, et reconnaître les tendances qui promettent de devenir une « science-fusée » ou simplement d'offrir un environnement stimulant pour le travail d'équipe est en soi une sorte de plan.

Jungmann dirige actuellement un groupe de recherche junior Emmy Noether à la Faculté de physique de LMU, et le MPI de Biochimie à Martinsried. Il a récemment remporté l'une des bourses de démarrage hautement dotées décernées par l'ERC, et une subvention d'un million d'euros de la Fondation Max Planck. Une visite à son laboratoire au MPI suggère que cet argent est bien dépensé. Ici, on trouve le microscope optique avec la résolution la plus élevée – 5 nm – actuellement accessible partout dans le monde. Il s'agit essentiellement d'un microscope à fluorescence classique, mais avec des modifications innovantes conçues et construites par le groupe Jungmann. Laser, miroirs, les objectifs et les caméras proviennent de sources commerciales, mais ses collaborateurs sont responsables de la conception globale de l'instrument. C'est l'une des raisons pour lesquelles la collaboration interdisciplinaire au sein d'équipes bien intégrées est si importante. "Nous pouvons aller plus vite parce que la communication est plus simple et la coordination plus facile - et nous faisons moins d'erreurs parce que nous avons des experts pour tous les détails, " explique Jungmann. De tels facteurs aident à expliquer comment on peut faire des progrès aussi rapides :les idées sont librement échangées et peuvent être rapidement évaluées et mises en œuvre. Jungmann appartient à une nouvelle génération de chercheurs en Allemagne qui ont appris à travailler en tant que membres de réseaux Ces structures transparentes et coopératives ont remplacé les systèmes hiérarchisés et repliés sur eux-mêmes d'antan.

Jungmann a appris à quel point cette approche peut être productive lorsqu'il a rejoint le laboratoire dirigé par William Shih et Peng Yin au Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering de la Harvard Medical School à Boston. L'Institut emploie des spécialistes dans toutes les disciplines pertinentes, des ingénieurs mécaniciens aux biologistes et informaticiens. Et c'est le modèle qu'il définit lui-même pour ses doctorants et ses étudiants en master. Par exemple, il a dépensé 30, 000 euros sur une version simplifiée de son microscope record pour leur seul usage – conçu par l'un de ses doctorants. "Il descend à 20 nm, " dit-il. " Pas mal pour un travail de bricolage. "

Après être passé par le moulin de Harvard

Trois de ses doctorants ont fait leur maîtrise sous sa direction alors qu'il était encore à Harvard. Cela étend leur réseau de contacts internationaux, « et avoir passé avec succès à l'usine de Harvard est une recommandation en soi, " ajoute-t-il. Ces étudiants diplômés forment désormais le noyau expérimenté de son équipe, quelque chose dont même le meilleur chef de groupe ne peut se passer. Cela signifie également que les idées de projets ne manquent jamais. Jungmann a de grands espoirs pour ses codes-barres ADN, qui peut cibler une pléthore de protéines et de séquences d'ARN spécifiques, servant de marqueurs sans ambiguïté pour chacun. Ces marqueurs sont équipés de colorants photocommutables qui, selon leur structure précise, clignotement allumé et éteint pendant des périodes plus ou moins longues, et avec des intensités réglables. "Notre méthode est plus simple que tous les autres modes de microscopie super-résolution, " affirme Jungmann - et il pense ici non seulement à l'imagerie de cellules individuelles mais aussi de collectifs cellulaires dans les tissus. En fait, il est possible d'observer et d'analyser des centaines de cellules à la fois à l'aide de courts, brins d'ADN marqués par colorant en tant que balises hautement spécifiques.

Les fonds mis à disposition par le programme Emmy Noether et l'ERC Starting Grant, d'une valeur totale d'environ 3,5 millions d'euros, lui donner la possibilité de poursuivre son rêve au cours des prochaines années. En outre, LMU propose désormais aux ERC Starting Grantees des postes de professeur titulaires (W2) et Jungmann est parmi les premiers à bénéficier de ce programme. Le 1er août, il est devenu professeur d'imagerie moléculaire et de bionanotechnologie. "Cela me donne un degré de sécurité, même si cela ne garantit pas que j'obtiendrai plus tard une chaire académique, " dit-il. Son travail sera revu dans 5 ans. " Et c'est bien sûr une motivation supplémentaire pour moi, " ajoute-t-il – avec un sourire.