Le synchrotron SOLEIL révèle la structure des gouttelettes lipidiques

Publié par Adrien le 05/05/2020 à 09:00
Source: INRAE
Une nouvelle méthode d'imagerie cellulaire non-invasive révèle la structure des gouttelettes lipidiques

Une équipe de recherche, coordonnée par INRAE, a mis au point un nouveau procédé d'imagerie multimodale en combinant différentes techniques de microscopie (La microscopie est l'observation d'un échantillon (placé dans une préparation microscopique plane de faible épaisseur) à travers le microscope. La...) des synchrotrons SOLEIL (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la...) (France) et ALBA (Espagne). Cette approche a permis d'obtenir un ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un...) d'informations complémentaires sur la composition et la structure des gouttelettes lipidiques présentes dans les cellules de levure (Une levure est un champignon unicellulaire apte à provoquer la fermentation des matières organiques animales ou végétales. Les levures sont employées pour la fabrication du vin,...), sans ajout de produits de coloration ou de fixation susceptibles d'endommager les cellules. Ces résultats sont publiés le 4 mai 2020 dans Journal of synchrotron radiation (Le rayonnement est un transfert d'énergie sous forme d'ondes ou de particules, qui peut se produire par rayonnement électromagnétique (par exemple : infrarouge) ou par une...).


Image d'autofluorescence tryptophane de levures. © INRAE

Comme le corps, qui est constitué de différents organes lui permettant de vivre, toute cellule d'organisme supérieur est composée de différents organites assurant de multiples fonctions pour en garantir la viabilité. Parmi ces organites, les gouttelettes lipidiques sont très étudiées car elles sont associées à plusieurs maladies comme le diabète (Le diabète présente plusieurs formes, qui ont toutes en commun des urines abondantes (polyurie). Le mot « diabète » vient du grec ancien dia-baïno, qui signifie...) ou l'obésité (L'obésité est l'état d'une personne, ou d'un animal, souffrant d'une hypertrophie de la masse adipeuse, qui se traduit par un excès de poids, réparti de façon...). Les lipides qu'elles contiennent sont des molécules importantes pour le secteur alimentaire (huiles végétales), la chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à l'instar de la physique et de la biologie avec lesquelles elle partage des...) verte (biodiesel) et l'industrie cosmétique (Un cosmétique est une substance ou un mélange destiné à être mis en contact avec diverses parties superficielles du corps humain, notamment...) (savons, crèmes contenant des huiles végétales). Ces gouttelettes sont composées de différents types de lipides, principalement des triglycérides et des esters de cholestérol (Le cholestérol est un lipide de la famille des stérols qui joue un rôle central dans de nombreux processus biochimiques. Le cholestérol tire son nom du grec...) ; leur organisation (Une organisation est) forme la structure de la gouttelette. Comprendre la composition et la structure des gouttelettes est en conséquence un enjeu majeur pour la société.

Jusqu'à présent les techniques utilisées pour étudier la structure interne (En France, ce nom désigne un médecin, un pharmacien ou un chirurgien-dentiste, à la fois en activité et en formation à l'hôpital ou en cabinet pendant une durée variable selon le...) des gouttelettes lipidiques détruisaient les cellules. Si ces techniques avaient déjà permis d'obtenir des informations précieuses sur la composition et la structure de gouttelettes isolées ou dans des coupes cellulaires, de nouveaux outils d'imagerie (L’imagerie consiste d'abord en la fabrication et le commerce des images physiques qui représentent des êtres ou des choses. La fabrication se faisait...) étaient nécessaires pour une étude exhaustive de leur fonctionnement et leur interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en...) avec d'autres organites au sein de cellules intactes.

Une nouvelle méthode non destructive pour la cellule

Les chercheurs ont analysé des cellules de la levure de boulanger (Le boulanger est spécialisé dans la fabrication du pain, de ses dérivés, de la viennoiserie.) Saccharomyces cerevisiae en combinant et adaptant deux techniques d'imagerie utilisées sur des cellules animales et végétales.

Pour la première technique, les chercheurs ont utilisé la cryo tomographie aux rayons X mous du synchrotron ALBA sur des levures vitrifiées (congelées instantanément), une technique d'imagerie utilisant les rayons X. Cette technique permet d'étudier l'architecture (L’architecture peut se définir comme l’art de bâtir des édifices.) interne des cellules à l'échelle nanométrique, en particulier la disposition des différents organites et leurs interactions. Les gouttelettes lipidiques absorbent fortement les rayons X et se distinguent clairement sur les images.

La seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La seconde est une...) technique utilisée est l'imagerie à ultra-violets (UV) profonds du synchrotron SOLEIL. Cette technique ne nécessite pas de préparation particulière et permet de conserver les cellules vivantes pour des observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir procuré explique la très grande participation des...) de l'échelle micrométrique à nanométrique (i.e. du millionième au milliardième de mètre). Elle permet notamment d'observer la dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :) des processus biologiques ayant lieu à l'intérieur des cellules. Pour les chercheurs le défi était d'adapter cette technique pour observer des cellules de levures, dix fois plus petites que les cellules animales ou végétales.

Des résultats inédits sur la structure interne de cellules dix fois plus petites que des cellules animales ou végétales

Les observations aux rayons X ont montré des changements structuraux des gouttelettes lipidiques en fonction de leur composition. L'imagerie UV a permis d'observer, sans marquage chimique et à l'échelle d'une centaine de nanomètres, les organites d'une levure unicellulaire vivante, en particulier leur structure et les zones de contact entre organites. Les chercheurs ont également mis au point (Graphie) des procédures spécifiques pour la combinaison (Une combinaison peut être :) de différentes techniques d'imageries UV (transmittance et autofluorescence du tryptophane et de la tyrosine, deux acides aminés présents dans les protéines) sur des cellules vivantes.

La combinaison des techniques d'imagerie synchrotron aux rayons X et UV fournissent des informations complémentaires sur les cellules de l'échelle nanométrique à l'échelle micrométrique. L'imagerie aux rayons X permet d'obtenir des informations sur la structure fine des organites d'une cellule tandis que l'imagerie UV autorise l'étude des processus biologiques au sein des cellules comme la division (La division est une loi de composition qui à deux nombres associe le produit du premier par l'inverse du second. Si un nombre est non nul, la fonction "division par ce nombre" est la...) cellulaire, le suivi du devenir de molécules d'origine extracellulaire ou la réponse à un stress (Le stress (« contrainte » en anglais), ou syndrome général d'adaptation, est l'ensemble des réponses d'un organisme soumis à des...). La combinaison de ces deux techniques pourra s'appliquer à l'analyse d'autres types de cellules, qu'elles soient végétales ou animales, pour le plus grand bénéfice des utilisateurs de ces deux synchrotrons, et plus largement de la communauté des biologistes. Cette nouvelle procédure d'imagerie ouvre la voie à la constitution d'un atlas des organites dans les cellules vivantes.

Le synchrotron SOLEIL et le dispositif INRAE-SOLEIL

Le synchrotron SOLEIL (www.synchrotron-soleil.fr) est un centre 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 métonymique, la recherche scientifique désigne...) dédié à l'étude de la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état...) à travers ses interactions avec la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La lumière est intimement...). SOLEIL offre un panel (Le panel est un groupe de personnes interrogées régulièrement sur leurs opinions ou leurs attitudes. Les personnes peuvent participer aux enquêtes par courrier, téléphone ou, de plus en plus...) de techniques très large utilisant un spectre de rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule...) qui s'étend de l'infrarouge (Le rayonnement infrarouge (IR) est un rayonnement électromagnétique d'une longueur d'onde supérieure à celle de la lumière visible mais plus courte que celle des...) lointain aux rayons X durs en passant par toute la gamme des UV.

Le dispositif INRAE-SOLEIL est constitué de 2 ingénieurs INRAE mis à disposition auprès de SOLEIL, d'un coordinateur et d'un Conseil 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.) d'Utilisateurs INRAE de SOLEIL (CSU). Pour les chercheurs des laboratoires d'INRAE les projets (proposals) doivent, avant d'être soumis sur la plateforme du Sunset (http://sunset.synchrotron-soleil.fr/sun), être transmis au CSU, qui a pour missions de les recenser, d'aider à leur optimisation, de choisir le bon comité de programme et d'éviter des doublons. Les appels à projets ont lieu 2 fois par an, au 15 Février et au 15 Septembre.

Référence:
Frédéric Jamme, Bertrand Cinquin, Yann Gohon, Eva Pereiro, Matthieu Réfrégiers et Marine Froissard,
Synchrotron multimodal imaging in a whole cell reveals lipid droplet core organization,
Journal of Synchrotron radiation, Mai 2020.
DOI: https://doi.org/10.1107/S1600577520003847
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