Une imagerie simultanée de l'orientation et de la position 3D de molécules fluorescentes

Publié par Isabelle le 18/01/2021 à 13:00
Source: CNRS INSIS
Idéale pour observer le fonctionnement des cellules, l'imagerie super-résolue peine cependant à fournir à la fois la position et l'orientation des molécules uniques qu'elle scrute. Grâce à l'emploi d'une lame de verre aux propriétés spécifiques, des chercheurs et des chercheuses de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est...) Fresnel et de l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la...) de Rochester ont combiné avec succès les deux mesures. Publiés dans la revue Nature Communications, ces travaux aideront en particulier à l'étude de l'organisation (Une organisation est) des protéines dans les cellules à des échelles nanométriques.


Imagerie de l'orientation (Au sens littéral, l'orientation désigne ou matérialise la direction de l'Orient (lever du soleil...) 3D et de la position 3D de molécules uniques attachées à un filament de F-actine, reconstruit in vitro (In vitro (en latin : « dans le verre ») signifie un test en tube, ou, plus...) sur une surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a...) de verre (Le verre, dans le langage courant, désigne un matériau ou un alliage dur, fragile...). À gauche: l'image noir et blanc (Le noir et blanc sont considérés ou non comme des couleurs selon la discipline qui en...) est l'image directe (L'image directe d'un sous-ensemble A de X par une application est le sous-ensemble de Y formé des...) produite par toutes les molécules du filament. Les cônes représentent l'orientation (direction de pointé du cône), la fluctuation angulaire (ouverture angulaire du cône), et leur hauteur (La hauteur a plusieurs significations suivant le domaine abordé.) (couleur). À droite: exemple d'image d'une molécule (Une molécule est un assemblage chimique électriquement neutre d'au moins deux atomes, qui...) unique projetée sur deux polarisations circulaires gauche et droite (haut) et son ajustement théorique (bas).© Curcio et al.

L'imagerie super-résolue permet, à partir de la fluorescence (La fluorescence est une émission lumineuse provoquée par diverses formes d'excitation autres que...), de donner la position 3D d'une molécule avec une précision d'une dizaine de nanomètres. Cette technique est particulièrement utilisée en biologie (La biologie, appelée couramment la « bio », est la science du vivant....), par exemple pour observer les assemblages dynamiques de protéines à l'intérieur des cellules, car, contrairement à d'autres approches, elle ne demande pas de traitements incompatibles avec la survie des cellules. L'imagerie super-résolue tire les informations sur la position des molécules grâce au pointé du centre de l'image de leur réponse optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement...), une tache de diffraction (La diffraction est le comportement des ondes lorsqu'elles rencontrent un obstacle qui ne leur est...) circulaire d'un diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre...) de quelques centaines de nanomètres. Mais si on essaye d'en extraire également l'orientation de la cible, cette information est mélangée avec les données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent...) de localisation dans l'espace. Des chercheurs et des chercheuses de l'Institut Fresnel (CNRS/Centrale Marseille/Aix-Marseille Université), en collaboration avec l'Université de Rochester (USA), sont parvenus à extraire, de manière non ambiguë et simultanée, l'orientation 3D et la position d'une molécule, grâce à une lame de verre capable de traiter efficacement le signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe...) optique d'une cible fluorescente.

L'équipe a utilisé une lame biréfringente spatiale à symétrie trigonale, fabriquée en appliquant des presses métalliques en trois points d'une plaque de verre circulaire. Ces contraintes font apparaître dans le matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne...) des motifs de déformation très bien contrôlés, qui permettent de modifier localement à la fois la phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et...) et la polarisation ( la polarisation des ondes électromagnétiques ; la polarisation dûe aux moments...) de la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil...) issue des cibles fluorescentes. Cette lame était déjà employée pour étudier la polarisation de la lumière, avant d'être testée avec succès dans le cadre de l'imagerie super-résolue. Cette méthode, appelée coordinate and height super-resolution imaging with dithering and orientation (CHIDO), a été appliquée à la mesure de l'orientation et de la position de molécules uniques attachée à des filaments d'une protéine (Une protéine est une macromolécule biologique composée par une ou plusieurs...), la F-actine. Les molécules ont montré qu'elles étaient en moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de...) orientées dans la direction des filaments, bien que leur orientation individuelle fluctue de manière non négligeable. Elles deviennent ainsi des rapporteurs de l'orientation 3D de la F-actine, et par conséquent de son organisation dans les cellules aux échelles nanométriques, même dans des réseaux denses et complexes. Ce type d'informations, que l'on ne peut pas encore obtenir avec un microscope optique (Le microscope optique est un instrument d'optique muni d'un objectif et d'un oculaire qui permet de...), intéresse de nombreux travaux de biologie.

Références:
Birefringent Fourier filtering for single molecule coordinate and height super-resolution imaging with dithering and orientation.
V. Curcio, L.A. Alemán-Castañeda, T.G. Brown, S. Brasselet & M.A. Alonso.
Nature Communications volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension...) 11, Article number:Nat Commun 11, 5307 (2020).
https://doi.org/10.1038/s41467-020-19064-6

Contacts:
- Sophie Brasselet - Directrice de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue...) CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand...) à l'Institut Fresnel (CNRS/Centrale Marseille/Aix-Marseille Université) - sophie.brasselet at fresnel.fr
- Miguel Alonso - Professeur au sein de la chaire d'excellence AMIDEX et chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la...) à l'Institut Fresnel (CNRS/Centrale Marseille/Aix-Marseille Université) - miguel.alonso at fresnel.fr
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