Gonfler nos cellules pour observer leur vie intérieure
Publié par Isabelle le 19/12/2018 à 14:00
Source: Université de Genève (UNIGE)
Des chercheurs de l'UNIGE ont développé une technique permettant de visualiser des éléments cellulaires avec une résolution inégalée en microscopie optique.


Cellule humaine, dont les microtubules formant le cytosquelette rayonnent à partir du centrosome, leur centre organisateur (les 4 cylindres). © UNIGE

Les cellules sont constituées de minuscules compartiments, les organites, qui ont des structures et des rôles précis. Pouvoir observer ces structures représente un énorme défi et permettrait de mieux appréhender le fonctionnement cellulaire. Or, jusqu'à présent, la microscopie (La microscopie est l'observation d'un échantillon (placé dans une préparation microscopique plane de faible épaisseur) à travers le microscope. La...) à fluorescence (La fluorescence est une émission lumineuse provoquée par diverses formes d'excitation autres que la chaleur. (on parle parfois de « lumière...) n'offrait pas de résolution suffisante pour obtenir une visualisation détaillée de l'ultrastructure des organites. Aujourd'hui, des chercheurs de l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études...) de Genève (UNIGE) ont réussi à agrandir des échantillons biologiques sans les déformer et à en révéler des détails à une échelle nanométrique, soit du millionième de millimètre. Une résolution inégalée en microscopie optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement électromagnétique et de ses relations avec la vision.). Décrite dans la revue Nature Methods, cette nouvelle technique permet de visualiser l'architecture (L’architecture peut se définir comme l’art de bâtir des édifices.) et la composition des organites, ainsi que celles de complexes protéiques de natures diverses. Des modifications biochimiques présentes sur leurs composants peuvent également être détectées dans un contexte (Le contexte d'un évènement inclut les circonstances et conditions qui l'entourent; le contexte d'un mot, d'une phrase ou d'un texte inclut les mots qui l'entourent. Le concept de contexte...) tridimensionnel, à des fins de cartographie (La cartographie désigne la réalisation et l'étude des cartes géographiques. Le principe majeur de la cartographie est la représentation de données sur un support réduit représentant un...).

Tout a commencé grâce à des couches pour bébé (L'onomatopée bébé désigne l'être humain en bas-âge. En puériculture on distingue plutôt le nouveau-né (le premier mois), le nourrisson (d'un mois à...). Edouard Boyden, professeur au Massachusetts Institute of Technology, a eu l'idée de détourner les propriétés de leur composant, l'acrylate de sodium (Le sodium est un élément chimique, de symbole Na et de numéro atomique 11. C'est un métal mou et argenté, qui appartient aux métaux alcalins. On ne le trouve pas à l'état de corps pur dans la...), à des fins de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension...). "Il y a trois ans, Edouard Boyden a mis au point (Graphie) une méthode qui permet d'enrober les structures cellulaires d'un mélange (Un mélange est une association de deux ou plusieurs substances solides, liquides ou gazeuses qui n'interagissent pas chimiquement. Le résultat de l'opération est une...) d'acrylate de sodium et d'acrylamide (L'acrylamide est le nom usuel du 2-propénamide (amide acrylique) de formule brute C3H5NO.), une substance chimique qui se forme notamment lors du brunissement des frites. Il a ensuite marqué les cibles à observer avec des molécules fluorescentes avant de faire gonfler le tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) avec de l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.). Les cibles devaient être détruites, mais il était possible de visualiser leur pourtour fluorescent avec une bonne résolution, grâce à l'agrandissement obtenu", explique Paul Guichard, professeur au Département de biologie (La biologie, appelée couramment la « bio », est la science du vivant. Prise au sens large de science du vivant, elle recouvre une partie des sciences naturelles et de...) cellulaire de la Faculté des sciences de l'UNIGE.

Préserver l'architecture de la cellule

Le biologiste (Sur les autres projets Wikimédia :) genevois s'intéresse à la formation et au fonctionnement des organites, des structures cellulaires qui remplissent des tâches précises. Les mitochondries, centrales énergétiques de la cellule, ou le centrosome, à partir duquel se constitue le squelette (Le squelette est une charpente animale rigide servant de support pour les muscles. Il est à la base de l'evolution des vertébrés. Celui ci leur a fourni un...) cellulaire, en font partie. "Nous avons cherché à savoir s'il était possible d'adapter cette technique pour observer des organites sans devoir les détruire, et les agrandir sans les déformer", note Virginie Hamel, chercheuse au Département de biologie cellulaire et coresponsable de l'étude.

En collaboration avec des chercheurs de l'Université de Würzburg en Allemagne, les biologistes ont modifié la méthode, testé de nouvelles conditions et analysé les images obtenues avec différentes techniques. Ils ont finalement trouvé la bonne recette, qui permet de gonfler l'échantillon (De manière générale, un échantillon est une petite quantité d'une matière, d'information, ou d'une solution. Le mot est utilisé dans différents domaines :) biologique tout en le maintenant dans son état originel, sans fixation chimique préalable pouvant le dénaturer. "Les cellules subissent une expansion progressive et leurs composants se séparent les uns des autres tout en s'agrandissant. L'architecture des différents éléments est préservée et il devient possible de les observer avec une résolution jamais atteinte en microscopie optique", détaille Davide Gambarotto, chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la recherche. Il est difficile de bien cerner le métier de chercheur tant les domaines de recherche sont...) au sein du groupe genevois et premier auteur de l'étude.

Localiser les protéines qui constituent l'organite

Baptisée Ultrastructure Expansion Microscopy (U-ExM), leur technique permet de révéler des détails cellulaires à l'échelle nanométrique, qui n'étaient visibles qu'en microscopie électronique. "La microscopie électronique ne permet toutefois pas de localiser les protéines qui composent les éléments observés. Notre méthode combine l'avantage de la microscopie à fluorescence pour détecter des molécules, et la haute résolution pour visualiser la structure fine des organites ou des macromolécules", explique Virginie Hamel.

Les images de centrosomes obtenues en trois dimensions (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa profondeur/son épaisseur, ou bien son diamètre si c'est une pièce de...) sont supérieures à celles dérivant de techniques distinguées par le Prix Nobel 2014 et permettent même de détecter des modifications biochimiques sur les molécules qui composent les organites. "Il devient désormais possible de cartographier de gros complexes moléculaires intracellulaires. Cette méthode pourrait également être utilisée pour dévoiler des signatures de processus pathologiques au cœur même de la cellule", conclut Paul Guichard.

Contacts chercheurs:
- Paul Guichard - Professeur au Département de biologie cellulaire - Faculté des sciences
- Virginie Hamel - Collaboratrice scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui se consacre à l'étude d'un domaine avec la rigueur et les méthodes scientifiques.) au Département de biologie cellulaire - Faculté des sciences

Référence publication:
Cette recherche est publiée dans, Nature Methods-DOI: 10.1038/s41592-018-0238-1
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