Vue latérale du microscope électronique sur mesure dans l'unité de microscopie à ondes quantiques. Ce microscope était basé sur un appareil commercial qui a été personnalisé et étendu pour atteindre des échelles encore plus petites et une haute résolution. Aucune lentille optique n'est utilisée pour créer les images microscopiques dans ce microscope électronique unique. Crédit : Institut des sciences et technologies d'Okinawa
Développer de nouveaux dispositifs scientifiques repoussant les limites de ce que nous pouvons observer et mesurer ne se fait pas du jour au lendemain. Il y a généralement des petits pas impliqués, petites améliorations continues pour contrer les nombreux obstacles techniques qui se présentent en cours de route. Le nouveau microscope électronique de pointe développé par le professeur Tsumoru Shintake de l'Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) ne fait pas exception à la règle. Grâce au développement de ce microscope unique en son genre, Les chercheurs de l'OIST ont rapporté une étape cruciale dans la revue Microscopy en utilisant des couches minces atomiques de graphène pour améliorer les images microscopiques de minuscules virus.
Les microscopes électroniques s'appuient sur un faisceau d'électrons plutôt que sur la lumière pour éclairer l'échantillon cible. Le faisceau d'électrons frapperait l'échantillon, avec la diffusion résultante des électrons permettant aux scientifiques de construire une image précise de la cible. Par ici, les microscopes électroniques peuvent atteindre une résolution beaucoup plus élevée que les appareils basés sur la lumière. Le microscope unique du professeur Shintake ne repose même plus sur des lentilles optiques, à la place, en utilisant un détecteur pour révéler quels électrons frappent les minuscules échantillons de virus et en reconstruisant l'image grâce à un algorithme informatique. De plus, alors que les microscopes électroniques conventionnels nécessitent des électrons de haute énergie, ce microscope se concentre plutôt sur les électrons de faible énergie qui peuvent potentiellement être beaucoup plus efficaces pour l'imagerie des virus si les problèmes techniques associés peuvent être surmontés.
"Les électrons de basse énergie interagissent très fortement avec la matière, " a expliqué le Dr Masao Yamashita, le premier auteur de l'étude. "Ils sont parfaits pour l'imagerie d'échantillons biologiques, composé de matériaux légers comme le carbone, l'oxygène et l'azote, qui sont fondamentalement transparents aux électrons de haute énergie."
L'utilisation d'électrons de faible énergie présente cependant un inconvénient important :en raison de sa grande sensibilité à la matière, un faisceau d'électrons de faible énergie interagirait avec l'échantillon cible mais aussi avec tout le reste comme la plaque de support et le film sur lesquels l'échantillon est posé. L'image résultante ne distinguerait pas le matériel d'étude de l'arrière-plan.
Pour contrer cet effet, des chercheurs de l'unité de microscopie à ondes quantiques se sont penchés sur les propriétés uniques du graphène. Ils ont synthétisé un film constitué d'une seule couche – mince d'un atome – de graphène sur laquelle les échantillons biologiques, comme les virus qu'ils étudient, sera affiché.
Le graphène est extrêmement conducteur, ce qui signifie que les électrons peuvent traverser la couche très facilement. Par ici, les électrons de faible énergie interagiront très peu avec la couche de graphène de fond et beaucoup plus avec l'échantillon de virus qui se démarquera avec un grand contraste. Cette conductivité élevée empêche également le "chargement", une accumulation d'électrons sur le film qui déformerait l'image finale. La minceur du film fournit également un arrière-plan beaucoup plus lumineux - donc un bien meilleur contraste avec le matériau d'étude - que les films de carbone conventionnels.
L'utilisation d'un film de graphène fournit un contraste très élevé révélant les détails. Images de microscopie électronique de virus bactériophage T4. L'image de gauche a été réalisée à l'aide d'un film carbone conventionnel, l'image de droite en utilisant la couche mince de graphène à un seul atome. Plus de détails sur la queue et les membres des virus peuvent être discernés. La barre noire utilisée pour l'échelle est de 20 nanomètres (0,00000002 mètres). Crédit : Institut des sciences et technologies d'Okinawa
"Le film de graphène nous permet d'obtenir un grand contraste avec des électrons de très faible énergie, permettant d'améliorer les petits détails ", a ajouté le Dr Yamashita.
Cependant, un film de graphène n'est pas si facile à manipuler. Il est si clair qu'il doit être impeccable et exempt de tout contaminant, conduisant les scientifiques de l'OIST à développer une technique pour nettoyer méticuleusement le film de graphène.
Il y a aussi un problème avec le chargement de l'échantillon de virus sur le film de graphène. Le film de graphène est huileux, tandis que les préparations biologiques seraient généralement à base d'eau. Ils ne se mélangeraient pas très bien :si vous ajoutez simplement les virus sur le film, les résultats sont des virus qui s'accrochent les uns aux autres dans des taches denses dispersées, ce qui rend impossible la révélation de détails individuels.
Pour résoudre ce deuxième problème, Les chercheurs de l'OIST ont eu recours à la force centrifuge pour disperser les virus sur toute la surface du film, les empêchant de faire des grumeaux. Les virus sont chargés dans un tube avec le film de graphène à une extrémité, tandis que l'autre extrémité est attachée à un axe vertical qui est tourné jusqu'à 100, 000 tours par minute. La force centrifuge pousse les virus sur le film de graphène et les empêche de se regrouper, permettant de voir des détails distinctifs sur chaque spécimen avec le microscope électronique.
Le résultat de tous ces efforts est des images à plus haute résolution des coques des virus, dont la forme et les détails morphologiques peuvent fournir des indices sur la façon de les combattre. Pour démontrer leur travail réussi, Les chercheurs de l'OIST ont utilisé le bactériophage T4, un virus bien connu qui attaque des bactéries spécifiques. L'utilisation de graphène et d'un faisceau d'électrons à basse tension leur a permis de révéler de minuscules détails comme les membres en forme de fibre que le virus utilise pour s'accrocher à sa proie bactérienne, auparavant invisible sur un film carbone conventionnel.
Le Dr Yamashita et son équipe travaillent déjà sur la prochaine étape pour augmenter encore la qualité des images. Reconstituer des images et étudier la morphologie de divers types de spécimens dans le futur, la capacité de comparer en toute confiance des images microscopiques de matériaux biologiques à une échelle aussi minuscule nécessite une très grande cohérence entre les échantillons. Pour atteindre cette condition, les chercheurs développent maintenant un moyen robuste de préparer les virus en les pulvérisant sur le film de graphène sous vide stérile. Les minuscules virus ne pourront pas se cacher plus longtemps.
