À l'aide d'un microscope optique ordinaire, Les ingénieurs du MIT ont mis au point une technique d'imagerie d'échantillons biologiques avec une précision à l'échelle de 10 nanomètres, ce qui devrait leur permettre d'imager des virus et potentiellement même des biomolécules uniques, disent les chercheurs.

La nouvelle technique s'appuie sur la microscopie à expansion, une approche qui consiste à intégrer des échantillons biologiques dans un hydrogel, puis à les étendre avant de les imager au microscope. Pour la dernière version de la technique, les chercheurs ont développé un nouveau type d'hydrogel qui maintient une configuration plus uniforme, permettant une plus grande précision dans l'imagerie de structures minuscules.

Ce degré de précision pourrait ouvrir la porte à l'étude des interactions moléculaires fondamentales qui rendent la vie possible, dit Edward Boyden, le professeur Y. Eva Tan en neurotechnologie, professeur de génie biologique et de sciences du cerveau et cognitives au MIT, et membre du McGovern Institute for Brain Research du MIT et du Koch Institute for Integrative Cancer Research.

"Si vous pouviez voir des molécules individuelles et identifier de quel type elles sont, avec une précision nanométrique à un chiffre, alors vous pourrez peut-être réellement regarder la structure de la vie. Et structurer, comme nous l'a dit un siècle de biologie moderne, régit la fonction, " dit Boyden, qui est l'auteur principal de la nouvelle étude.

Les principaux auteurs de l'article, qui apparaît aujourd'hui dans Nanotechnologie naturelle, sont le chercheur scientifique du MIT Ruixuan Gao et Chih-Chieh "Jay" Yu Ph.D. '20. D'autres auteurs incluent Linyi Gao Ph.D. '20 ; l'ancien postdoctorant du MIT Kiryl Piatkevich; Rachel Neve, directeur du Gene Technology Core au Massachusetts General Hospital; James Munro, professeur agrégé de microbiologie et de systèmes physiologiques à la faculté de médecine de l'Université du Massachusetts; et Srigokul Upadhyayula, ancien professeur adjoint de pédiatrie à la Harvard Medical School et professeur adjoint en résidence de biologie cellulaire et du développement à l'Université de Californie à Berkeley.

À bas prix, haute résolution

De nombreux laboratoires dans le monde ont commencé à utiliser la microscopie à expansion depuis que le laboratoire de Boyden l'a introduite pour la première fois en 2015. Avec cette technique, les chercheurs agrandissent physiquement leurs échantillons d'environ quatre fois en dimension linéaire avant de les imager, leur permettant de générer des images haute résolution sans équipement coûteux. Le laboratoire de Boyden a également développé des méthodes de marquage des protéines, ARN, et d'autres molécules dans un échantillon afin qu'elles puissent être imagées après expansion.

"Des centaines de groupes font de la microscopie à expansion. Il y a clairement une demande refoulée pour un méthode peu coûteuse de nano-imagerie, " dit Boyden. " Maintenant, la question est, à quel point pouvons-nous obtenir? Pouvons-nous atteindre la précision d'une seule molécule ? Car au final, vous voulez parvenir à une résolution qui aborde les éléments fondamentaux de la vie."

D'autres techniques telles que la microscopie électronique et l'imagerie à super-résolution offrent une haute résolution, mais l'équipement requis est coûteux et peu accessible. Microscopie à expansion, cependant, permet une imagerie haute résolution avec un microscope optique ordinaire.

Dans un article de 2017, Le laboratoire de Boyden a démontré une résolution d'environ 20 nanomètres, en utilisant un processus dans lequel les échantillons ont été étendus deux fois avant l'imagerie. Cette approche, ainsi que les versions antérieures de la microscopie à expansion, repose sur un polymère absorbant à base de polyacrylate de sodium, assemblés à l'aide d'une méthode appelée synthèse de radicaux libres. Ces gels gonflent lorsqu'ils sont exposés à l'eau; cependant, une limitation de ces gels est qu'ils ne sont pas complètement uniformes en structure ou en densité. Cette irrégularité entraîne de petites distorsions dans la forme de l'échantillon lorsqu'il est expansé, limitant la précision qui peut être obtenue.

Pour surmonter cela, les chercheurs ont développé un nouveau gel appelé tétra-gel, qui forme une structure plus prévisible. En combinant des molécules de PEG tétraédriques avec des polyacrylates de sodium tétraédriques, les chercheurs ont pu créer une structure en forme de réseau qui est beaucoup plus uniforme que les hydrogels de polyacrylate de sodium synthétisés par radicaux libres qu'ils utilisaient auparavant.

Les chercheurs ont démontré l'exactitude de cette approche en l'utilisant pour étendre des particules de virus de l'herpès simplex de type 1 (HSV-1), qui ont une forme sphérique distinctive. Après avoir étendu les particules virales, les chercheurs ont comparé les formes aux formes obtenues par microscopie électronique et ont constaté que la distorsion était inférieure à celle observée avec les versions précédentes de la microscopie à expansion, leur permettant d'atteindre une précision d'environ 10 nanomètres.

"Nous pouvons regarder comment les arrangements de ces protéines changent à mesure qu'elles sont étendues et évaluer à quel point elles sont proches de la forme sphérique. C'est ainsi que nous l'avons validé et déterminé avec quelle fidélité nous pouvons préserver la nanostructure des formes et les arrangements spatiaux relatifs de ces molécules, " dit Ruixuan Gao.

Molécules simples

Les chercheurs ont également utilisé leur nouvel hydrogel pour développer les cellules, y compris les cellules rénales humaines et les cellules cérébrales de souris. Ils travaillent maintenant sur des moyens d'améliorer la précision au point de pouvoir imager des molécules individuelles dans de telles cellules. Une limitation de ce degré de précision est la taille des anticorps utilisés pour marquer les molécules dans la cellule, qui mesurent environ 10 à 20 nanomètres. Pour imager des molécules individuelles, les chercheurs auraient probablement besoin de créer des étiquettes plus petites ou d'ajouter les étiquettes une fois l'expansion terminée.

Ils étudient également si d'autres types de polymères, ou des versions modifiées du polymère tétragel, pourrait les aider à réaliser une plus grande précision.

S'ils peuvent atteindre une précision jusqu'à des molécules simples, beaucoup de nouvelles frontières pourraient être explorées, dit Boyden. Par exemple, les scientifiques pourraient entrevoir comment différentes molécules interagissent les unes avec les autres, qui pourrait faire la lumière sur les voies de signalisation cellulaire, activation de la réponse immunitaire, communication synaptique, interactions médicament-cible, et bien d'autres phénomènes biologiques.

"Nous aimerions examiner les régions d'une cellule, comme la synapse entre deux neurones, ou d'autres molécules impliquées dans la signalisation cellule-cellule, et de comprendre comment toutes les parties se parlent, ", dit-il. "Comment travaillent-ils ensemble et comment vont-ils mal dans les maladies?"