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Au-delà du microscope

C’est l’une des belles découvertes des années 1990, qui a valu le prix Nobel à son auteur il y a six ans. Depuis plus d’un siècle, les développements du microscope butaient sur une limite qui semblait à jamais indépassable, la diffraction. En dessous d’un dixième de micron environ, les conséquences du fait que la lumière est une onde se font en effet sentir : l’image d’un point est une tache. Impossible d’obtenir une image nette des structures biologiques les plus petites, celles qui flirtent avec l’échelle nanométrique, comme les virus ou encore plus minuscules, les protéines. Certes, les physiciens avaient déjà inventé le microscope électronique qui permet d’explorer ces échelles. Mais ce dernier le fait à un prix bien trop élevé : tout structure biologique doit d’abord être figée, et donc irrémédiablement « tuée ». Pour les biologistes, l’intérêt reste donc limité.

Mais les choses ont changé notamment grâce aux travaux d’un des lauréats du prix Nobel de chimie 2014, l’Allemand Stefan Hell. L’un des développements actuels de ses découvertes peut se résumer comme suit. Les équipes de recherche balayent la cellule qu’ils veulent visualiser « pixel par pixel », la taille de ces derniers étant de l’ordre du nanomètre (un millième de micron). Comment ? D’une part grâce à des protéines fluorescentes préalablement générées par la cellule biologique elle-même, qui ont la propriété d’être allumées et éteintes à la demande. D’autre part, grâce à trois lasers différents : un laser central qui allume les protéines dans la zone correspondant au pixel, tandis qu’un deuxième, en périphérie, les éteint tout autour, et enfin un troisième qui rallume les protéines éteintes.

Cependant, même si la technique a fait faire un pas de géant à la microscopie, elle reste pour l’instant limitée à des échelles de 40 à 50 nanomètres, alors qu’elle a le potentiel pour aller jusqu’à 10 nanomètres. En effet, la qualité de l’image dépend grandement de l’efficacité avec laquelle le laser réussit à allumer et éteindre les protéines fluorescentes, et du temps que cela prend.

« Notre but est de trouver des protéines pour lesquelles ce processus est le plus efficace et le plus rapide possible » explique Michel Sliwa, du laboratoire avancé de spectroscopie pour les interactions, la réactivité et l’environnement (LASIRE¹). Habituellement, les biologistes testent de très nombreuses configurations pour trouver celle qui permettra d’obtenir la protéine fluorescente qui fonctionne le mieux (ils font notamment varier les briques de bases constituant les protéines, les acides aminés). Cette méthode, en partie aléatoire, peut être très longue. « Notre approche est différente : nous cherchons à identifier ce qui contrôle la vitesse et l’efficacité de l’allumage et de l’extinction de ces protéines. » précise Michel Sliwa.

Pour cela, il leur faut comprendre en détail ce qui arrive à la protéine quand elle reçoit le rayon laser qui l’éteint ou l’allume. Michel Sliwa et ses collègues du LASIRE, au sein d'un consortium international, se sont penchés sur une des protéines les plus utilisées dans cette technique d’imagerie biologique. Leur publication, dans la revue Nature Communications, explique ce qui se passe lorsque le laser rallume la protéine après l’avoir éteinte : d’abord une partie de cette dernière tourne autour d’une des liaisons chimiques en moins d’un milliardième de milliseconde, puis son énergie décroît (elle « se désexcite » en plusieurs paliers) avant de perdre un proton beaucoup plus lentement, en moins d’une milliseconde.

Quant à l’extinction et l’allumage de la protéine, l’équipe est en train d’y travailler. « La situation est un peu différente du rallumage, qui doit être le plus rapide possible, poursuit Michel Sliwa. Là, il faut trouver le bon compromis pour que l’image soit suffisamment contrastée. » D’ores et déjà, leurs analyses leur ont permis d’identifier plusieurs protéines fluorescentes candidates, qui pourraient être beaucoup plus efficaces que celles qui sont actuellement utilisées. « Une fois que le consortium aura sélectionné les plus prometteuses, précise Michel Sliwa, nos collègues de Grenoble et de Göttingen vérifieront que des cellules biologiques sont capables de les produire et évalueront si la précision de 10 nanomètres est atteinte en milieu biologique. »

¹ (Univ. Lille/CNRS/ENSCL)

  • La publication scientifique : J. Woodhouse et al., Nature Communications, 11, 741, 2020. Elle fait suite à une publication dans Nature Chemistry en 2018.
  • Les membres du LASIRE impliqués sont : Lucas M. Uriarte, Cyril Ruckebusch et Michel Sliwa. Ils ont pris en charge plus particulièrement l’analyse de l’évolution de la protéine lorsque celle-ci se rallume, grâce à des techniques de « spectroscopie optique à résolution temporelle » dont le laboratoire est spécialiste.
  • Le consortium international du projet BioXFEL, est financé par l’Agence nationale de la recherche (ANR). Il comprend deux instituts grenoblois (biologie structurale et Laue Langevin), l’Université de Rennes, ainsi que les instituts Max-Planck de Heidelberg et de Göttingen en Allemagne.

¹ (Univ. Lille/CNRS/ENSCL)

Photo : image d’une cellule par une des techniques évoquées dans le texte (« RESOLFT »). Source : P. Itgen et al., Plos One, 10(9): e0136233, 2015. Licence : CC BY 4.0




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