Microscopie électronique : Des protéines nano-reporters rendent visibles des processus invisibles
Nano-barcodes codés génétiquement
Comment les cellules nerveuses de notre cerveau communiquent-elles entre elles ? Quels processus se déroulent lorsque les cellules T rendent les cellules cancéreuses inoffensives ? Les détails des mécanismes au niveau cellulaire restent cachés. Aujourd'hui, des protéines rapporteuses spéciales mises au point par une équipe de recherche dirigée par l'Université technique de Munich (TUM) pourraient aider à dévoiler ces mécanismes.
Une équipe autour du professeur Gil Gregor Westmeyer a mis au point un nouveau système de report de gènes à code-barres pour la microscopie électronique.
Barth van Rossum
Le microscope électronique offre aux scientifiques la vue la plus profonde des structures cellulaires - la résolution est de l'ordre du sous-nanomètre. Même les composants cellulaires tels que les mitochondries ou les connexions entre les cellules nerveuses peuvent être discernés. Néanmoins, de nombreuses structures et processus importants restent invisibles. "C'est un peu comme regarder un plan de ville", explique Gil Gregor Westmeyer, professeur d'ingénierie neurobiologique à la TUM et directeur de l'Institut de biomédecine synthétique du Helmholtz de Munich. "Il suffit d'avoir une impression visuelle de l'environnement et de voir où se trouvent les routes. Mais cela ne nous permet pas de savoir à quelle fréquence les feux de circulation sont allumés, quelle est l'intensité du trafic à un moment donné, et quand ou où quelque chose est en cours de reconstruction".
Mais la capacité d'intervenir sur les processus défectueux ou de les recréer dans des tissus et organes artificiels nécessite absolument une compréhension des processus à l'intérieur des cellules et entre elles. Westmeyer et ses collègues ont donc mis au point un système de report génétique qui effectue à leur place le travail de reconnaissance à l'intérieur des cellules. Les rapporteurs génétiques sont des capsules de protéines juste assez grandes pour être détectées au microscope électronique.
Identification par codes-barres
Les capsules sont produites par les cellules elles-mêmes. Leurs plans génétiques sont attachés à des gènes cibles spécifiques. Les protéines rapporteuses sont produites lorsque les gènes cibles deviennent actifs. Le principe de base de cette méthode est déjà une procédure standard en microscopie optique. Les chercheurs y travaillent avec des protéines fluorescentes. Cette méthode n'est toutefois pas adaptée à la microscopie électronique, car au lieu de couleurs, ce sont des formes différentes qui sont distinguées, par exemple sur la base de leur densité électronique.
Les chercheurs ont exploité cette possibilité en incorporant des protéines liant les métaux dans des capsules de tailles différentes. Ces "EMcapsulines" apparaissent sous forme de cercles concentriques de tailles différentes au microscope électronique et peuvent être rapidement identifiées et assignées comme des codes-barres à l'aide de l'intelligence artificielle.
Rendre visibles des structures invisibles
Comment les chercheurs peuvent-ils utiliser ces protéines rapporteuses ? D'une part, ils peuvent les utiliser pour indiquer l'activité de certains gènes, mais aussi pour découvrir des structures qui ne seraient autrement pas visibles au microscope électronique - par exemple des synapses électriques entre les cellules nerveuses ou des récepteurs qui influencent l'interaction entre les cellules cancéreuses et les cellules T.
"Si nous donnons également aux EMcapsulines des propriétés fluorescentes, cela nous permettra d'examiner dans un premier temps des structures dans des tissus vivants à l'aide de la microscopie optique", explique Felix Sigmund, premier auteur de l'étude. Ce faisant, nous pourrons observer des dynamiques et des structures frappantes qui, dans une prochaine étape, pourront être hautement résolues au microscope électronique.
"Il est également concevable de déployer à l'avenir les protéines rapporteuses en tant que capteurs qui modifient leur structure, par exemple, lorsqu'une cellule devient active. De cette manière, les relations entre la fonction et la structure des cellules peuvent être mieux élucidées, ce qui est également pertinent pour comprendre les processus pathologiques, ainsi que pour produire des cellules et des tissus thérapeutiques", ajoute M. Westmeyer.
À cette fin, les chercheurs utiliseront également la nouvelle installation de microscopie électronique de la TUM et collaboreront avec le nouveau Center for Organoid Systems (COS) de la TUM.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
Publication originale
F. Sigmund, O. Berezin, S. Beliakova, B. Magerl, M. Drawitsch, A. Piovesan, F. Gonçalves, S.-V. Bodea, S. Winkler, Z. Bousraou, M. Grosshauser, E. Samara, J. Pujol-Martí, S. Schädler, C. So, S. Irsen, A. Walch, F. Kofler, M. Piraud, J. Kornfeld, K. Briggman, G. G. Westmeyer: Genetically encoded barcodes for correlative volume electron microscopy, Nature Biotechnology (2023)
Augmenting electron microscopy with barcoded gene reporters, Nature Biotechnology Research Briefing (2023)
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