Les chercheurs peuvent désormais « voir » la structure fine et la composition chimique d’une cellule humaine avec une clarté et une précision inégalées


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  • Des chercheurs de l’Institut Beckman pour les sciences et technologies avancées ont mis au point une nouvelle méthode pour « voir » la structure fine et la composition chimique d’une cellule humaine avec une clarté et une précision inégalées.

    C’est pourquoi Jaws a nagé hors de vue pendant plus d’une heure et fait allusion au glamour du papier cadeau. Dans les salles de cinéma, les salons et même les laboratoires, on peut compter sur le frisson de l’invisible pour nous faire deviner. Mais lorsqu’il s’agit du monde chimique caché des cellules, les scientifiques n’ont plus à s’interroger.

    Inspirés par ce même frisson, les chercheurs de l’Institut Beckman pour les sciences et technologies avancées ont développé une manière innovante de « voir » la structure fine et la composition chimique d’une cellule humaine avec une clarté et une précision inégalées. Leur technique, apparue dans PNAS plus tôt cette semaine, adopte une approche créative – et contre-intuitive – de la détection des signaux.

    « La biologie est l’une des sciences les plus passionnantes de notre époque car il y a toujours eu un fossé entre ce que nous pouvons voir et ce que nous ne pouvons pas voir », a déclaré Rohit Bhargava, professeur de bio-ingénierie à l’Université de l’Illinois Urbana-Champaign qui a dirigé le étude.

    En tant que plus petites unités fonctionnelles de notre corps, les cellules ont longtemps retenu l’attention des chercheurs intéressés à déterminer de quoi elles sont constituées et où réside chaque élément. Ensemble, le « quoi » et le « où » forment un modèle cellulaire polyvalent qui peut être utilisé pour étudier la biologie, la chimie, les matériaux, etc.

    Avant cette étude, obtenir une copie haute résolution de ce plan relevait de l’impossible.

    « Maintenant, nous pouvons voir l’intérieur des cellules avec une résolution beaucoup plus fine et avec des détails chimiques significatifs plus facilement que jamais », a déclaré Bhargava. « Ce travail ouvre une gamme de possibilités, y compris une nouvelle façon d’examiner les aspects chimiques et physiques combinés qui régissent le développement humain et la maladie. »

    Les travaux des chercheurs s’appuient sur des avancées antérieures dans le domaine de l’imagerie chimique.

    Alors que la microscopie optique utilise la lumière visible pour éclairer les caractéristiques au niveau de la surface comme la couleur et la structure, l’imagerie chimique utilise la lumière infrarouge invisible pour révéler le fonctionnement interne d’un échantillon.

    Lorsqu’une cellule est exposée à la lumière infrarouge, sa température augmente et elle se dilate. Nous savons grâce aux lunettes de vision nocturne qu’il n’y a pas deux objets qui absorbent les longueurs d’onde IR exactement de la même manière ; comparer un caniche à un banc de parc est une preuve suffisante que les objets plus chauds émettent des signatures infrarouges plus fortes que les plus froids. Il en va de même à l’intérieur d’une cellule, où chaque type de molécule absorbe la lumière infrarouge à une longueur d’onde légèrement différente et émet une signature chimique unique. L’examen des modèles d’absorption – une méthode appelée spectroscopie – permet aux chercheurs de localiser chacun d’entre eux.

    Contrairement aux lunettes de vision nocturne, les chercheurs n’analysent pas les modèles d’absorption comme un spectre de couleurs. Au lieu de cela, ils interprètent les ondes infrarouges avec un détecteur de signal : un minuscule faisceau fixé au microscope à une extrémité, avec une pointe fine qui racle la surface de la cellule comme l’aiguille nanométrique d’un tourne-disque.

    Les innovations en spectroscopie au cours de la dernière décennie se sont concentrées sur l’augmentation constante de la force des longueurs d’onde IR initiales.

    « C’est une approche intuitive parce que nous sommes conditionnés à penser que les signaux plus grands sont meilleurs. Nous pensons : « Plus le signal infrarouge est fort, plus la température d’une cellule augmente, plus elle se dilate et plus elle sera facile à voir ».  » dit Bhargava.

    Un recul important se cache dans cette approche. Au fur et à mesure que la cellule se dilate, le mouvement du détecteur de signal devient plus exagéré et génère du « bruit »: ce qu’on appelle de l’électricité statique qui empêche des mesures chimiques précises.

    « C’est comme monter le cadran d’une station de radio statique – la musique devient plus forte, mais le statique aussi », a déclaré Seth Kenkel, chercheur postdoctoral au laboratoire du professeur Bhargava et auteur principal de l’étude.

    En d’autres termes, quelle que soit la puissance du signal IR, la qualité de l’imagerie chimique ne pouvait pas progresser.

    « Nous avions besoin d’une solution pour empêcher le bruit d’augmenter parallèlement au signal », a déclaré Kenkel.

    Le remède des chercheurs à l’imagerie cellulaire bruyante fonctionne en séparant le signal IR du mouvement du détecteur, permettant une amplification sans bruit supplémentaire.

    Au lieu de concentrer leurs énergies sur le signal infrarouge le plus fort possible, les chercheurs ont commencé par expérimenter le plus petit signal qu’ils pouvaient gérer, s’assurant qu’ils pouvaient mettre en œuvre efficacement leur solution avant d’augmenter la puissance. Bien que «contre-intuitif», selon Kenkel, commencer petit a permis aux chercheurs d’honorer une décennie de recherche en spectroscopie et de jeter les bases essentielles pour l’avenir du domaine.

    Bhargava compare l’approche à un road trip qui a mal tourné.

    « Imaginez que des chercheurs en spectroscopie étaient dans une voiture, se dirigeant vers le Grand Canyon. Bien sûr, tout le monde penserait que plus la voiture se déplace vite, plus vite ils atteindront la destination. Mais le problème est que la voiture se dirige vers l’est d’Urbana. , » il a dit.

    Augmenter la vitesse de la voiture hypothétique revient à renforcer le signal IR.

    « Nous nous sommes arrêtés, avons regardé une carte et pointé la voiture dans la bonne direction. Maintenant, la vitesse accrue – le signal accru – peut effectivement faire avancer le terrain. »

    La « carte » des chercheurs permet une imagerie chimique et structurelle à haute résolution des cellules à l’échelle nanométrique – une échelle 100 000 fois plus petite qu’une mèche de cheveux. Notamment, cette technique est exempte de marquage fluorescent, ou de molécules colorantes pour augmenter leur visibilité au microscope.

    Alors que les installations de la suite de microscopie de Beckman étaient essentielles à la phase expérimentale de l’étude, l’idée elle-même n’est pas née d’une technologie sophistiquée, mais d’une culture qui a soutenu la curiosité, la résolution de problèmes non conventionnels et diverses perspectives.

    « C’est pourquoi l’Institut Beckman est un endroit incroyable », a déclaré Bhargava. « Ce projet avait besoin d’idées issues de la spectroscopie, de l’ingénierie mécanique, du traitement du signal et bien sûr de la biologie. Vous ne pouvez combiner ces domaines de manière transparente ailleurs que chez Beckman. Cette étude est un exemple classique du mélange de sciences interdisciplinaires de Beckman à la pointe de la technologie. de la science et de la technologie de pointe. »

    La recherche rapportée dans ce communiqué de presse a été soutenue en partie par le National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering des National Institutes of Health sous les numéros de prix T32EB019944 et R01EB009745, ainsi que par la National Science Foundation sous le numéro de prix 2153032. Ce contenu relève de la seule responsabilité des auteurs et ne représente pas nécessairement les vues officielles du NIH.

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