Un moyen classique d’imager des structures à l’échelle nanométrique dans des cellules consiste à utiliser des microscopes à super-résolution coûteux et de grande puissance. Comme alternative, les chercheurs du MIT ont développé un moyen d’élargir les tissus avant de les imager, une technique qui leur permet d’atteindre une résolution à l’échelle nanométrique avec un microscope optique conventionnel.
Dans la dernière version de cette technique, les chercheurs ont permis de multiplier par 20 les tissus en une seule étape. Cette méthode simple et peu coûteuse pourrait ouvrir la voie à presque tous les laboratoires de biologie pour réaliser une imagerie à l’échelle nanométrique.
« Cela démocratise l’imagerie », déclare Laura Kiessling, professeur de chimie Novartis au MIT et membre du Broad Institute du MIT et de Harvard et du Koch Institute for Integrative Cancer Research du MIT.
« Sans cette méthode, si vous voulez voir des choses avec une haute résolution, vous devez utiliser des microscopes très coûteux. Cette nouvelle technique vous permet de voir des choses que vous ne pourriez normalement pas voir avec des microscopes standards. le coût de l’imagerie, car vous pouvez voir des objets à l’échelle nanométrique sans avoir recours à une installation spécialisée.
À la résolution atteinte par cette technique, qui est d’environ 20 nanomètres, les scientifiques peuvent voir des organites à l’intérieur des cellules, ainsi que des amas de protéines.
« Une expansion par vingt vous amène dans le domaine dans lequel les molécules biologiques opèrent. Les éléments constitutifs de la vie sont des choses à l’échelle nanométrique : des biomolécules, des gènes et des produits génétiques », explique Edward Boyden, professeur Y. Eva Tan en neurotechnologie au MIT ; professeur de génie biologique, d’arts et sciences médiatiques et de sciences du cerveau et cognitives; un enquêteur du Howard Hughes Medical Institute ; et membre du McGovern Institute for Brain Research du MIT et du Koch Institute for Integrative Cancer Research.
Boyden et Kiessling sont les auteurs principaux de la nouvelle étude, qui paraît dans Méthodes naturelles. Shiwei Wang, étudiant diplômé du MIT, et Tay Won Shin Ph.D. sont les principaux auteurs de l’article.
Une seule extension
Le laboratoire de Boyden a inventé la microscopie à expansion en 2015. La technique nécessite d’incorporer les tissus dans un polymère absorbant et de briser les protéines qui maintiennent normalement les tissus ensemble. Lorsque de l’eau est ajoutée, le gel gonfle et sépare les biomolécules les unes des autres.
La version originale de cette technique, qui multipliait par quatre les tissus, permettait aux chercheurs d’obtenir des images avec une résolution d’environ 70 nanomètres. En 2017, le laboratoire de Boyden a modifié le processus pour inclure une deuxième étape d’expansion, permettant ainsi une expansion globale de 20 fois. Cela permet une résolution encore plus élevée, mais le processus est plus compliqué.
« Nous avons développé plusieurs technologies d’expansion par 20 dans le passé, mais elles nécessitent plusieurs étapes d’expansion », explique Boyden. « Si vous pouviez réaliser une telle expansion en une seule étape, cela simplifierait un peu les choses. »
Avec une expansion 20 fois supérieure, les chercheurs peuvent atteindre une résolution d’environ 20 nanomètres à l’aide d’un microscope optique conventionnel. Cela leur permet de voir les structures cellulaires comme les microtubules et les mitochondries, ainsi que les amas de protéines.
Dans la nouvelle étude, les chercheurs ont décidé de multiplier par 20 le volume en une seule étape. Cela signifiait qu’ils devaient trouver un gel à la fois extrêmement absorbant et mécaniquement stable, afin qu’il ne se désagrège pas lorsqu’il est multiplié par 20.
Pour y parvenir, ils ont utilisé un gel assemblé à partir de N,N-diméthylacrylamide (DMAA) et d’acrylate de sodium. Contrairement aux gels d’expansion précédents qui reposaient sur l’ajout d’une autre molécule pour former des réticulations entre les brins de polymère, ce gel forme spontanément des réticulations et présente de fortes propriétés mécaniques.
De tels composants de gel avaient déjà été utilisés dans des protocoles de microscopie à expansion, mais les gels résultants ne pouvaient se dilater que d’environ dix fois. L’équipe du MIT a optimisé le gel et le processus de polymérisation pour rendre le gel plus robuste et permettre une expansion par 20.
Pour stabiliser davantage le gel et améliorer sa reproductibilité, les chercheurs ont éliminé l’oxygène de la solution de polymère avant la gélification, ce qui évite les réactions secondaires qui interfèrent avec la réticulation. Cette étape nécessite de faire passer de l’azote gazeux à travers la solution de polymère, qui remplace la majeure partie de l’oxygène dans le système.
Une fois le gel formé, certaines liaisons dans les protéines qui maintiennent les tissus ensemble sont rompues et de l’eau est ajoutée pour faire dilater le gel. Une fois l’expansion effectuée, les protéines cibles dans les tissus peuvent être marquées et imagées.
« Cette approche peut nécessiter davantage de préparation d’échantillons par rapport à d’autres techniques de super-résolution, mais elle est beaucoup plus simple en ce qui concerne le processus d’imagerie proprement dit, en particulier pour l’imagerie 3D », explique Shin. « Nous documentons le protocole étape par étape dans le manuscrit afin que les lecteurs puissent le parcourir facilement. »
Imager de minuscules structures
Grâce à cette technique, les chercheurs ont pu visualiser de nombreuses structures minuscules au sein des cellules cérébrales, notamment des structures appelées nanocolonnes synaptiques. Ce sont des groupes de protéines disposées de manière spécifique au niveau des synapses neuronales, permettant aux neurones de communiquer entre eux via la sécrétion de neurotransmetteurs tels que la dopamine.
Dans leurs études sur les cellules cancéreuses, les chercheurs ont également photographié des microtubules, des tubes creux qui contribuent à donner leur structure aux cellules et jouent un rôle important dans la division cellulaire. Ils ont également pu observer des mitochondries (organites qui génèrent de l’énergie) et même l’organisation de complexes de pores nucléaires individuels (des amas de protéines qui contrôlent l’accès au noyau cellulaire).
Wang utilise maintenant cette technique pour imager les glucides appelés glycanes, qui se trouvent à la surface des cellules et aident à contrôler les interactions des cellules avec leur environnement. Cette méthode pourrait également être utilisée pour imager les cellules tumorales, permettant aux scientifiques d’avoir un aperçu de la manière dont les protéines sont organisées au sein de ces cellules, beaucoup plus facilement qu’auparavant.
Les chercheurs envisagent que tout laboratoire de biologie devrait pouvoir utiliser cette technique à faible coût, car elle repose sur des produits chimiques standards et disponibles dans le commerce et sur des équipements courants tels que des microscopes confocaux et des sacs à gants, dont la plupart des laboratoires disposent déjà ou peuvent facilement accéder.
« Nous espérons qu’avec cette nouvelle technologie, n’importe quel laboratoire de biologie conventionnel pourra utiliser ce protocole avec ses microscopes existants, lui permettant ainsi d’approcher une résolution qui ne peut être obtenue qu’avec des microscopes de pointe très spécialisés et coûteux », a déclaré Wang. .
Plus d’informations :
Microscopie à expansion 20 fois en un seul coup, Méthodes naturelles (2024). DOI : 10.1038/s41592-024-02454-9
Cette histoire est republiée avec l’aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l’actualité de la recherche, de l’innovation et de l’enseignement du MIT.