Un bâton de mesure moléculaire pourrait faire progresser la microscopie à super-résolution

Republié par Platon

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Image montrant des bâtons de mesure regroupés en triangle et entourés de molécules ondulées — Le PicoRuler : des règles moléculaires basées sur des protéines permettent de tester la résolution optique des dernières méthodes de microscopie à super-résolution sur des biomolécules de l'ordre de moins de 10 nanomètres dans des conditions réalistes. (Avec l'aimable autorisation de Gerti Beliu, DALL-E 3 / Université de Würzburg)

Si vous souhaitez mesurer un objet du quotidien, vous pouvez utiliser une règle – un morceau de matériau de longueur fixe et de divisions régulièrement marquées. Grâce à un nouvel appareil appelé PicoRuler, le même principe de mesure peut désormais être appliqué à de minuscules objets tels que des cellules et des molécules. Développé par des chercheurs de l'Université Julius-Maximilians (JMU) de Würzburg en Allemagne, ce minuscule bâton de mesure fonctionne dans des environnements biologiques et pourrait être utilisé pour tester la capacité des techniques de microscopie à super-résolution à imager des objets de moins de 10 nm de long.

La microscopie à super-résolution basée sur l’imagerie de fluorescence s’est développée rapidement au cours des 20 dernières années. Il est désormais courant que de telles méthodes permettent de résoudre des structures aussi petites que quelques nanomètres, bien en dessous de la limite de diffraction de la microscopie conventionnelle à lumière visible.

Pour pousser ces techniques plus loin, les chercheurs ont besoin de structures de référence pour calibrer les performances de leurs microscopes. La principale méthode d’étalonnage actuellement utilisée repose sur des structures d’origami d’ADN artificiel. Ceux-ci peuvent être synthétisés pour transporter plusieurs fluorophores à des positions bien définies espacées de moins de 10 nm, leur permettant d’agir comme des règles pour l’imagerie inférieure à 10 nm. Le problème est que l’origami ADN est fortement chargé négativement et ne peut donc pas être utilisé dans les supports d’imagerie cellulaire biologique du monde réel.

Clic en place

Dirigé par des biotechnologues Markus Sauer ainsi que le Gerti Beliu, l'équipe JMU a développé une alternative biocompatible basée sur une protéine en trois parties appelée antigène nucléaire de cellules en prolifération (PCNA). En introduisant des acides aminés synthétiques sur cette protéine à des positions précisément définies espacées de 6 nm, ils ont permis aux molécules de colorant fluorescent de « cliquer » chimiquement dessus de manière efficace. Cette nouvelle structure leur a permis de tester la résolution d’une technique connue sous le nom d’accumulation de points basée sur l’ADN pour l’imagerie en topographie à l’échelle nanométrique (DNA-PAINT) jusqu’à 6 nm. Sauer dit que cela pourrait également être important pour d'autres techniques telles que la microscopie à reconstruction optique stochastique directe (dSTORM), MINFLUX ou MINSTED.

"Ces techniques de microscopie avancées peuvent atteindre des résolutions spatiales de l'ordre de quelques nanomètres, et la nouvelle règle servira d'outil d'étalonnage pour vérifier et améliorer leur précision", explique-t-il.

Explorer la structure cellulaire de l’intérieur

Les chercheurs cherchent désormais à optimiser leur règle pour une utilisation dans divers environnements biologiques, notamment dans les cellules vivantes. Selon Sauer, une autre direction de développement pourrait consister à administrer les PicoRulers directement dans les cellules elles-mêmes grâce à des techniques telles que la microinjection ou la fonctionnalisation avec des peptides pénétrant dans les cellules. Les dispositifs pourraient ainsi être utilisés pour explorer la structure d’une cellule de l’intérieur, acquérant ainsi des connaissances susceptibles de faire progresser la biologie cellulaire et d’apporter une meilleure compréhension des maladies et des voies menant au développement de médicaments.

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"Notre équipe se concentre également sur l'élargissement de la gamme de biomolécules pouvant être utilisées comme PicoRulers", explique Sauer. Monde de la physique. « À cette fin, nous étudierons différentes protéines et autres complexes biologiques. Nous sommes convaincus que le développement de notre PicoRuler marque une avancée significative dans le domaine de la microscopie à super-résolution, offrant un outil précieux pour explorer les structures cellulaires et moléculaires à des résolutions sans précédent.

La PicoRuler est décrite dans Matériaux avancés.