À l'intérieur d'une cellule vivante, les protéines et d'autres molécules sont souvent étroitement regroupées. Ces amas denses peuvent être difficiles à imager car les marqueurs fluorescents utilisés pour les rendre visibles ne peuvent pas se caler entre les molécules.

Les chercheurs du MIT ont maintenant développé une nouvelle façon de surmonter cette limitation et de rendre visibles ces molécules "invisibles". Leur technique leur permet de « désencombrer » les molécules en expansant un échantillon de cellules ou de tissus avant de marquer les molécules, ce qui rend les molécules plus accessibles aux marqueurs fluorescents.

Cette méthode, qui s'appuie sur une technique largement utilisée connue sous le nom de microscopie d'expansion précédemment développée au MIT, devrait permettre aux scientifiques de visualiser des molécules et des structures cellulaires qui n'ont jamais été vues auparavant.

"Il devient clair que le processus d'expansion révélera de nombreuses nouvelles découvertes biologiques. Si les biologistes et les cliniciens ont étudié une protéine dans le cerveau ou un autre spécimen biologique, et qu'ils l'étiquetent de la manière habituelle, ils pourraient manquer des catégories entières de phénomènes. », explique Edward Boyden, professeur Y. Eva Tan en neurotechnologie, professeur de génie biologique et de sciences cérébrales et cognitives au MIT, chercheur à l'Institut médical Howard Hughes et membre du McGovern Institute for Brain Research et du Koch Institute for Integrative du MIT. Recherche sur le cancer.

En utilisant cette technique, Boyden et ses collègues ont montré qu'ils pouvaient imager une nanostructure trouvée dans les synapses des neurones. Ils ont également imagé la structure des plaques bêta-amyloïdes liées à la maladie d'Alzheimer de manière plus détaillée qu'auparavant.

"Notre technologie, que nous avons nommée révélation d'expansion, permet la visualisation de ces nanostructures, qui restaient auparavant cachées, en utilisant du matériel facilement disponible dans les laboratoires universitaires", explique Deblina Sarkar, professeure adjointe au Media Lab et l'un des principaux auteurs de l'étude. .

Les principaux auteurs de l'étude sont Boyden; Li-Huei Tsai, directeur de l'Institut Picower du MIT pour l'apprentissage et la mémoire; et Thomas Blanpied, professeur de physiologie à l'Université du Maryland. Parmi les autres auteurs principaux, citons Jinyoung Kang, postdoctorant au MIT, et Asmamaw Wassie, récemment titulaire d'un doctorat au MIT. destinataire. L'étude paraît aujourd'hui dans Nature Biomedical Engineering .

Désencombrement

L'imagerie d'une protéine spécifique ou d'une autre molécule à l'intérieur d'une cellule nécessite de la marquer avec une étiquette fluorescente portée par un anticorps qui se lie à la cible. Les anticorps mesurent environ 10 nanomètres de long, tandis que les protéines cellulaires typiques ont généralement un diamètre d'environ 2 à 5 nanomètres. Par conséquent, si les protéines cibles sont trop denses, les anticorps ne peuvent pas les atteindre.

Cela a été un obstacle à l'imagerie traditionnelle ainsi qu'à la version originale de la microscopie d'expansion, que Boyden a développée pour la première fois en 2015. Dans la version originale de la microscopie d'expansion, les chercheurs attachaient des étiquettes fluorescentes aux molécules d'intérêt avant d'élargir le tissu. L'étiquetage a été effectué en premier, en partie parce que les chercheurs ont dû utiliser une enzyme pour hacher les protéines de l'échantillon afin que le tissu puisse être élargi. Cela signifiait que les protéines ne pouvaient pas être marquées après l'expansion du tissu.

Pour surmonter cet obstacle, les chercheurs ont dû trouver un moyen d'élargir le tissu tout en laissant les protéines intactes. Ils ont utilisé la chaleur au lieu d'enzymes pour ramollir le tissu, permettant au tissu de se dilater 20 fois sans être détruit. Ensuite, les protéines séparées pourraient être marquées avec des étiquettes fluorescentes après expansion.

Avec autant de protéines supplémentaires accessibles pour le marquage, les chercheurs ont pu identifier de minuscules structures cellulaires dans les synapses, les connexions entre les neurones qui sont densément remplis de protéines. Ils ont marqué et imagé sept protéines synaptiques différentes, ce qui leur a permis de visualiser en détail des « nanocolonnes » constituées de canaux calciques alignés avec d'autres protéines synaptiques. Ces nanocolonnes, censées contribuer à rendre la communication synaptique plus efficace, ont été découvertes pour la première fois par le laboratoire de Blanpied en 2016.

"Cette technologie peut être utilisée pour répondre à de nombreuses questions biologiques sur le dysfonctionnement des protéines synaptiques, qui sont impliquées dans les maladies neurodégénératives", explique Kang. "Jusqu'à présent, il n'existait aucun outil permettant de bien visualiser les synapses."

Nouveaux motifs

Les chercheurs ont également utilisé leur nouvelle technique pour imager la bêta-amyloïde, un peptide qui forme des plaques dans le cerveau des patients atteints de la maladie d'Alzheimer. En utilisant des tissus cérébraux de souris, les chercheurs ont découvert que la bêta-amyloïde forme des nanoclusters périodiques, qui n'avaient jamais été vus auparavant. Ces amas de bêta-amyloïde comprennent également des canaux potassiques. Les chercheurs ont également découvert des molécules bêta-amyloïdes qui formaient des structures hélicoïdales le long des axones.

"Dans cet article, nous ne spéculons pas sur ce que cette biologie pourrait signifier, mais nous montrons qu'elle existe. Ce n'est qu'un exemple des nouveaux modèles que nous pouvons voir", déclare Margaret Schroeder, une étudiante diplômée du MIT qui est également auteur de l'article.

Sarkar dit qu'elle est fascinée par les modèles biomoléculaires à l'échelle nanométrique que cette technologie dévoile. "Avec une formation en nanoélectronique, j'ai développé des puces électroniques qui nécessitent un alignement extrêmement précis, dans le nanofab. Mais quand je vois que dans notre cerveau, Mère Nature a arrangé des biomolécules avec une telle précision à l'échelle nanométrique, cela m'épate vraiment", dit-elle.

Boyden et les membres de son groupe travaillent maintenant avec d'autres laboratoires pour étudier les structures cellulaires telles que les agrégats de protéines liés à la maladie de Parkinson et à d'autres maladies. Dans d'autres projets, ils étudient les agents pathogènes qui infectent les cellules et les molécules impliquées dans le vieillissement du cerveau. Les résultats préliminaires de ces études ont également révélé de nouvelles structures, dit Boyden.

"Maintes et maintes fois, vous voyez des choses qui sont vraiment choquantes", dit-il. "Cela nous montre tout ce qui nous manque avec la coloration classique non expansée."

Les chercheurs travaillent également sur la modification de la technique afin qu'ils puissent imager jusqu'à 20 protéines à la fois. Ils travaillent également à adapter leur procédé afin qu'il puisse être utilisé sur des échantillons de tissus humains.

Sarkar et son équipe, d'autre part, développent de minuscules dispositifs nanoélectroniques alimentés sans fil qui pourraient être distribués dans le cerveau. Ils prévoient d'intégrer ces appareils avec une extension révélatrice. "Cela peut combiner l'intelligence de la nanoélectronique avec les prouesses de la nanoscopie de la technologie d'expansion, pour une compréhension fonctionnelle et structurelle intégrée du cerveau", a déclaré Sarkar. + Explorer plus loin

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