Les microbes peuvent être parmi les plus petits êtres vivants sur Terre, mais la bioimagerie pour comprendre la chimie qui alimente ces organismes pourrait révéler des indices importants sur les subtilités de la fonction des gènes et la santé de la planète. Pour cette raison, les scientifiques ont longtemps cherché des moyens d’écouter les conversations entre les microbes vivants dans leur environnement.
Cela a été exceptionnellement difficile, en partie parce que les microbes communiquent en utilisant des molécules au lieu de mots. Déchiffrer les conversations signifie identifier de petites molécules spécifiques et changeant rapidement appelées métabolites, ce que même les instruments les plus puissants ont du mal à tenter. Mais une équipe de chercheurs du Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) a passé la dernière décennie à développer en permanence un instrument de bioimagerie de nouvelle génération qui progresse vers cet objectif.
La Chemical Dynamics Initiative (CDi), un investissement interne du PNNL, a soutenu le chimiste du PNNL Patrick El Khoury et son équipe dans le développement de la technologie pour mesurer les phénomènes dans le domaine quantique. Ici, l’équipe a imagé des ondes subatomiques d’énergie appelées phonons alors qu’elles se formaient, battaient et se dissipaient en un seul billionième de seconde.
« Des technologies similaires peuvent être utilisées pour imager les phonons et les métabolites dans l’espace réel et en temps réel », a déclaré El Khoury. « Les avancées fondamentales requises dans les deux domaines constituent un défi digne d’un laboratoire national et des investissements continus. »
Aujourd’hui, les chercheurs font passer les technologies au niveau supérieur en utilisant la bioimagerie pour cartographier les métabolites échangés par les microbes vivants.
La bioimagerie pour repêcher les chuchotements dans une foule
Le bioimageur est connu sous le nom de BIGTUNA, abréviation de BioImaginG Technology Using Nano-optical Approach. Les clés de BIGTUNA sont ses multiples capacités optiques, chacune fournissant des informations complémentaires sur la position et la composition des molécules dans un échantillon d’étude. De nombreuses sources laser se concentrent sur la pointe d’une aiguille nanométrique très pointue. Les chercheurs placent la pointe de l’aiguille dans la zone de l’échantillon qu’ils souhaitent examiner, puis utilisent la lumière focalisée sur la pointe de l’aiguille pour mesurer les caractéristiques physiques et chimiques de l’échantillon. Grâce à cela, les chercheurs identifient des molécules et comprennent comment elles interagissent.
La bioimagerie chimique avec la lumière existe depuis cent ans, mais jamais à cette échelle moléculaire.
« Certaines méthodes éclairent une zone relativement vaste, mais ces approches de champ lointain sont comme écouter une foule et s’attendre à comprendre des conversations individuelles », a déclaré Scott Lea, chimiste du PNNL. Pour surmonter ce défi, les chercheurs se sont concentrés sur la combinaison d’un large éventail de techniques de champ proche pour capturer et caractériser le maximum d’informations dans une zone aussi petite que quelques molécules.
« Si nous n’avons pas plusieurs flux de données provenant de plusieurs techniques, nous n’obtenons que des informations partielles », a déclaré El Khoury. « Et en plus de développer les techniques, nous avons développé notre compréhension des règles de sélection optique pour maximiser les informations que nous obtenons d’un échantillon dans une configuration. »
Dans la version la plus récente de ce projet, les chercheurs ont effectué un zoom arrière sur une zone plus grande, bien qu’elle ne soit encore qu’un millième de l’épaisseur d’une mèche de cheveux. À cette distance légèrement plus éloignée, ils ont identifié les approches les plus prometteuses pour capturer des informations sur les modèles de liaisons moléculaires et la distribution des électrons. Ces nouvelles mesures nano-optiques portent sur un nombre beaucoup plus restreint de molécules ; par conséquent, les chercheurs doivent continuer à développer de nouvelles théories décrivant les interactions nanoscopiques de la lumière et de la matière.
La combinaison de ces développements conceptuels et technologiques permettra aux chercheurs d’aller au-delà des systèmes modèles qu’ils ont étudiés en utilisant les premières incarnations de BIGTUNA. Les signaux chimiques dans ces systèmes modèles étaient beaucoup plus forts que les signaux chimiques des métabolites impliqués dans les communications microbiennes. En plus d’avoir des signaux plus faibles, les échantillons biologiques sont également susceptibles d’être endommagés par la lumière, c’est pourquoi l’approche non invasive de BIGTUNA le rend idéal à développer pour les applications de bioimagerie. L’inclusion de données de pointe et de techniques de calcul des scientifiques des données du PNNL Sarah Akers et Edo Aprà aidera à automatiser où et comment l’instrument équilibre l’exploration avec la sensibilité d’un système vivant.
La bioimagerie pour écouter les microbes qui parlent
Dans le cadre d’une première incursion dans la biologie, les chercheurs concentrent la puissance de bioimagerie de BIGTUNA sur une communauté de microbes symbiotiques qui vivent dans les sédiments océaniques profonds. Un microbe réduit le soufre, l’autre oxyde le méthane, un puissant gaz à effet de serre.
Les approches précédentes pour démêler les interactions microbiennes se sont principalement concentrées sur l’identification de gènes influents ou sur l’examen d’enzymes et de voies isolées. Les approches incluent souvent la fixation, la congélation ou la combinaison du système biologique. Mais ces approches perdent des détails dépendant du temps ou spécifiques à l’espace. Et les chercheurs ne peuvent pas regarder le flux de métabolites pour obtenir une compréhension prédictive de comment et pourquoi les microbes interagissent.
Même ainsi, la collaboratrice du PNNL et géologue de CalTech, Victoria Orphan, a des théories sur la façon dont ces microbes symbiotiques partagent des métabolites. La bioimagerie avec BIGTUNA pourrait produire la première vue rapprochée des métabolites en action lorsque l’instrument envoie de la lumière à travers l’échantillon et mesure ce qui est absorbé ou diffusé. Les chercheurs utilisent ces informations pour identifier les métabolites et créer un enregistrement détaillé des voies de communication intercellulaires microbiennes. À leur tour, ces connaissances pourraient aider les chercheurs à comprendre dans quelle mesure les microbes réagissent aux changements environnementaux.
Une nouvelle génération de nano-optique
« Les possibilités de BIGTUNA s’étendent bien au-delà du domaine de la bioimagerie », a déclaré Peter Sushko, scientifique en chef de CDi. « Parce que cet instrument hautement adaptable peut obtenir des informations détaillées décrivant le mouvement atomique et les processus électroniques, il sera utile pour rechercher des réponses à un large éventail de questions qui intéressent également les chimistes, les physiciens et les scientifiques des matériaux. »
Les applications potentielles incluent les matériaux quantiques, la catalyse et la santé humaine, en plus des travaux actuels sur les systèmes microbiens. Dans ce domaine, les développements futurs prévus pourraient intégrer des contrôles environnementaux pour généraliser davantage l’approche.
Une partie du plan de BIGTUNA a été conçu sous CDi du PNNLun investissement interne de cinq ans dans des capacités permettant de mieux comprendre et prévoir l’évolution de systèmes chimiques complexes dans des environnements réels ou opérationnels.