Une lumière laser bleue rotative révèle des dynamiques insoupçonnées dans les cellules vivantes
À l'aide d'un nouveau microscope à balayage laser, les scientifiques observent l'évolution des processus cellulaires en quelques millisecondes.
Lorsque les villes se transforment en un monde coloré de lumières à la tombée de la nuit, il n'est souvent possible que d'estimer leurs contours, ce qui, selon la perspective, peut attirer l'attention sur des détails clés ou des futilités. En microscopie à fluorescence, les cellules biologiques sont marquées avec des colorants fluorescents et excitées pour devenir luminescentes dans des zones spécifiques par des commutateurs optiques - comme une ville la nuit. Cependant, cette lumière est généralement trop faible pour les petits objets rapides, voire s'éteint après un certain temps. Ce phénomène est connu sous le nom de "blanchiment par fluorescence". Alexander Rohrbach et son équipe du laboratoire de bio- et nano-photonique de l'université de Fribourg ont trouvé un moyen de rendre les plus petits objets clairement visibles sans fluorescence. Ainsi, les structures cellulaires ou les particules de la taille d'un virus peuvent être observées 100 à 1 000 fois plus longtemps, dix à 100 fois plus vite et avec une résolution presque doublée qu'avec la microscopie à fluorescence. Alors que la microscopie à fluorescence enregistre ce que l'on pourrait appeler des "images nocturnes" de structures, la microscopie ROCS prend des "images diurnes" - des opposés qui peuvent se compléter à merveille. Rohrbach et ses collègues décrivent diverses applications de cette technologie dans le dernier numéro de Nature Communications.
Les faisceaux laser bleus tournent autour de l'objet 100 fois par seconde (schéma de gauche). Les ondes lumineuses diffusées au niveau des structures cellulaires (cellule) génèrent ainsi 100 images super-résolues par seconde. En 10 ms de rotation (0-360°), les ondes lumineuses continuellement déformées produisent l'image très nette d'une cellule purement à partir de la lumière laser diffusée, comme le montre la photo ci-dessous.
AG Rohrbach
Un laser bleu dirigé illumine un objet à un angle oblique
La technologie qu'ils utilisent est connue sous le nom de "Rotating Coherent Scattering" (ROCS) et utilise un faisceau laser bleu à rotation rapide. "Nous exploitons plusieurs phénomènes physiques familiers de la vie quotidienne", explique Rohrbach. "Tout d'abord, ce sont les petits objets tels que les molécules, les virus ou les structures cellulaires qui diffusent - ou distribuent - le plus la lumière bleue, connue par les molécules d'air dans l'atmosphère et que nous percevons comme le ciel bleu." Les petits objets diffusent et dirigent vers la caméra environ dix fois plus de particules de lumière bleue que de particules de lumière rouge et transmettent ainsi des informations précieuses.
Deuxièmement, le ROCS cible un laser bleu sous un angle très oblique sur les objets biologiques, car cela augmente sensiblement le contraste et la résolution. Cela nous est déjà familier : si vous tenez un verre à vin en oblique par rapport à la lumière, il est beaucoup plus facile de repérer la saleté ou les empreintes digitales. Troisièmement, les scientifiques éclairent l'objet successivement dans toutes les directions avec le faisceau laser oblique, car un éclairage dans une seule direction produirait beaucoup d'artefacts.
100 images par seconde de cellules vivantes
Le physicien de Fribourg et les ingénieurs du département d'ingénierie des microsystèmes (IMTEK) font tourner le faisceau laser oblique cent fois par seconde autour de l'objet et produisent ainsi 100 images par seconde. "Ainsi, en dix minutes, nous disposons déjà de 60 000 images de cellules vivantes, qui s'avèrent beaucoup plus dynamiques qu'on ne le pensait auparavant", explique M. Rohrbach. Les analyses dynamiques de ce type exigent toutefois une énorme puissance de calcul pour traiter une seule minute de matériel visuel. Il a donc fallu développer divers algorithmes informatiques et processus analytiques pour pouvoir interpréter correctement les données.
Avec son collègue, le Dr Felix Jünger, et en coopération avec différents groupes de recherche de Fribourg, Rohrbach a pu démontrer les capacités du microscope en utilisant différents systèmes cellulaires : "Notre objectif premier n'était pas de générer de jolies images ou des films sur la dynamique étonnamment élevée des cellules - nous voulions acquérir de nouvelles connaissances biologiques." Par exemple, la technologie ROCS leur a permis d'observer comment les mastocytes ouvrent de petits pores en quelques millisecondes seulement lorsqu'ils sont stimulés, afin d'éjecter des granules sphériques avec une force et une vitesse inexplicablement élevées. Ces granules contiennent l'histamine, un transmetteur, qui peut ensuite provoquer des réactions allergiques.
Observation du comportement de liaison des particules de la taille d'un virus
Dans une autre série d'expériences, les chercheurs ont pu observer comment de minuscules particules de la taille d'un virus dansent à une vitesse incroyable autour de la surface accidentée des cellules charognardes, en faisant plusieurs essais pour trouver un point de fixation sur la cellule. Ces observations ont servi de pré-tests pour des études en cours sur le comportement de liaison des coronavirus.
En outre, la technologie ROCS a été utilisée dans le cadre du groupe de recherche collaborative CRC 1425 sur la formation de cicatrices dans les lésions cardiaques. Les fibroblastes, c'est-à-dire les cellules du tissu cicatriciel, forment des tubes de 100 nanomètres de diamètre, appelés nanotubes, qui sont 1 000 fois plus fins qu'un cheveu. Grâce à cette nouvelle technologie, Jünger et Rohrbach ont pu découvrir que ces tubes vibrent thermiquement à l'échelle de la milliseconde, mais que ce mouvement s'atténue avec le temps. Selon les analyses mathématiques de l'activité, cela indique un raidissement mécanique des nano-tubes.
Dans d'autres expériences, les scientifiques ont enfin pu observer sur plusieurs milliers d'images comment les filopodes - les "doigts" des cellules charognardes - recherchent leurs proies dans leur environnement à l'aide d'un mouvement complexe de tremblement et comment les filopodes peuvent modifier leur cytosquelette à des vitesses inconnues jusqu'alors.
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Publication originale
Jünger, F., Ruh, D., Strobel, D., Michiels, R., Huber, D., Brandel, A., Madl, J., Gavrilov, A., Mihlan, M., Daller, C. C., Rog-Zielinska, E.A., Römer, W., Lämmermann, T.,Rohrbach, A. (2022): 100 Hz ROCS microscopy correlated with fluorescence reveals cellular dynamics on different spatiotemporal scales. In: Nature Communications 13(1): 1758.
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