Une percée en microscopie révèle comment les protéines se comportent en 3D, permettant de nouvelles informations sur le comportement cellulaire et la progression de la maladie – ScienceDaily

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Il y a six ans, le prix Nobel de chimie a été décerné à trois scientifiques pour avoir trouvé des moyens de visualiser les voies de molécules individuelles à l’intérieur des cellules vivantes.

Désormais, des chercheurs de l’Université de Rochester et de l’Institut Fresnel en France ont trouvé un moyen de visualiser ces molécules encore plus en détail, en montrant leur position et leur orientation en 3D, et même comment elles vacillent et oscillent. Cela pourrait apporter des informations précieuses sur les processus biologiques impliqués, par exemple, lorsqu’une cellule et les protéines qui régulent ses fonctions réagissent à un virus COVID-19.

«Lorsqu’une protéine change de forme, elle expose d’autres atomes qui améliorent le processus biologique, de sorte que le changement de forme d’une protéine a un effet énorme sur d’autres processus à l’intérieur de la cellule», explique Sophie Brasselet, directrice de l’Institut Fresnel, qui a collaboré avec les professeurs Miguel Alonso et Thomas Brown de l’Institut d’optique de Rochester. Une façon de surveiller ce changement de forme est de regarder l’orientation des molécules fluorescentes attachées à la protéine d’intérêt.

La technologie “Imagerie super-résolution de coordonnées et de hauteur avec tramage et orientation (CHIDO)” qu’ils décrivent dans Communications de la nature a été conçu et construit par les co-auteurs principaux Valentina Curcio, étudiante en doctorat dans le groupe de Brasselet, et Luis A. Aleman-Castaneda, étudiant en doctorat dans le groupe d’Alonso. CHIDO comprend une plaque de verre soumise à une contrainte uniforme tout autour de sa périphérie. Placée dans le plan de Fourier à l’arrière d’un microscope à fluorescence, la plaque transforme l’image d’une seule molécule en une tache focale déformée dont la forme encode directement les informations 3D.

En termes scientifiques, la plaque de phase de biréfringence à variation spatiale a une distribution de biréfringence avec symétrie trigonale. En effet, il peut produire des faisceaux qui ont tous les états de polarisation possibles.

«C’est l’une des beautés de l’optique», dit Brown. “Si vous disposez d’un appareil capable de créer à peu près n’importe quel état de polarisation, vous disposez également d’un appareil capable d’analyser à peu près n’importe quel état de polarisation possible.”

La plaque est née dans le laboratoire de Brown dans le cadre de son long intérêt pour le développement de faisceaux avec des polarisations inhabituelles. Alonso, un expert de la théorie de la polarisation, a travaillé avec Brown sur les moyens d’affiner ce “dispositif très simple mais très élégant” et d’élargir ses applications. Lors d’une visite à Marseille, Alonso a décrit la plaque à Brasselet, un expert en instrumentation novatrice pour l’imagerie par fluorescence et non linéaire. Brasselet a immédiatement suggéré son utilisation possible dans les techniques de microscopie sur lesquelles elle travaillait pour imager des molécules individuelles.

«C’était une équipe très complémentaire», dit Brasselet.

20 ans dans la fabrication

En 1873, Ernst Abbe a stipulé que les microscopes n’obtiendraient jamais une meilleure résolution que la moitié de la longueur d’onde de la lumière. Cette barrière a résisté jusqu’à ce que les lauréats du prix Nobel Eric Betzig et William Moerner – avec leur microscopie à molécule unique – et Stefan Hell – avec sa microscopie à épuisement des émissions stimulées – trouvent des moyens de la contourner.

“En raison de leurs réalisations, le microscope optique peut désormais scruter le nanomonde”, a rapporté le comité Nobel en 2014.

“Ce qui manquait à ce prix Nobel et aux travaux des années suivantes, c’était la capacité non seulement de connaître avec précision l’emplacement d’une molécule, mais aussi d’être capable de caractériser sa direction et surtout son mouvement en trois dimensions”, explique Brown.

En fait, la solution que Brown, Alonso et Brasselet décrivent aujourd’hui remonte à 20 ans.

À partir de 1999, Brown et l’une de ses doctorantes, Kathleen Youngworth, ont commencé à étudier des faisceaux optiques inhabituels qui présentaient des modèles inhabituels de polarisation optique, l’orientation de l’onde optique. Certains de ces faisceaux présentaient un motif radial en forme de rayon avec des propriétés intrigantes.

Youngworth a démontré sur une table que, lorsqu’ils étaient étroitement focalisés, les faisceaux présentaient des composants de polarisation qui pointaient dans presque toutes les directions en trois dimensions.

Alexis (Spilman) Vogt, un autre doctorant, a ensuite travaillé avec Brown pour créer les mêmes effets en appliquant une contrainte sur les bords d’un cylindre en verre. Le beau-frère de Brown, Robert Sampson, un spécialiste des outils et des matrices, a été appelé à fabriquer des échantillons et à les placer dans des anneaux métalliques à utiliser avec un microscope confocal.

Cela impliquait de chauffer à la fois le verre et les anneaux métalliques. «Le métal se dilate plus rapidement lorsque vous le chauffez que le verre», explique Brown, «et vous pouvez donc chauffer le verre et le métal très chaud, insérer le verre au milieu du métal et à mesure qu’il refroidit le métal. rétrécirait et créerait une force énorme sur la périphérie du verre. “

Sampson a appliqué par inadvertance plus de stress que prévu avec l’une des plaques. Dès que son beau-frère le lui a remis, Brown savait que l’assiette avait des qualités inhabituelles. Le groupe de Rochester a introduit le terme “ optique d’ingénierie du stress ” pour décrire ces éléments et, au fur et à mesure qu’ils en apprenaient davantage sur le comportement physique et les mathématiques, ils se sont rendu compte que ces fenêtres pourraient être le moyen de résoudre des problèmes entièrement nouveaux en microscopie.

Et c’était à l’origine de ce qui est maintenant CHIDO. Ce qui, par coïncidence, se trouve être l’argot mexicain pour «cool».

«À l’époque, Alexis et moi savions que le verre antistress était intéressant et qu’il aurait probablement des applications utiles; nous ne savions tout simplement pas à l’époque ce qu’ils pouvaient être», dit Brown. Maintenant, grâce à sa collaboration avec Alonso et Brasselet, il espère que CHIDO “captivera l’imagination” d’autres chercheurs dans le domaine qui pourront aider à affiner et appliquer la technologie.

La recherche a été soutenue par un financement de la National Science Foundation, de l’Initiative d’excellence d’Aix-Marseille Université, du programme de recherche et d’innovation Horizon 2020 de l’Union européenne et du programme de bourses de doctorat CONACYT.

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