La division cellulaire, ou le processus par lequel les cellules filles émergent d’une cellule mère, est fondamental pour la biologie. Chaque cellule hérite des mêmes blocs de construction de protéines et d’ADN qui composent la cellule dont elle est issue à l’origine. Pourtant, la manière exacte dont ces blocs de construction moléculaires s’organisent en nouvelles cellules est restée un mystère.
L’étude de la division cellulaire nécessite de visualiser simultanément des macromolécules à l’échelle nanométrique comme les protéines et l’ADN jusqu’à des populations de cellules à l’échelle millimétrique, et sur une période allant de quelques secondes à des semaines. Microscopes précédents n’ont pu capturer de minuscules objets que dans de courts délais, généralement quelques dizaines de secondes. Il n’y a pas eu de méthode capable d’examiner simultanément une large gamme d’échelles de taille et de temps.
Mon équipe et moi à l’Université du Michigan Groupe Bioplasmonique développé un nouveau type d’imagerie à super résolution qui révèle des caractéristiques jusque-là inconnues de la façon dont les cellules se divisent.
Faire progresser l’imagerie à superrésolution
Il n’était pas possible de visualiser les cellules au niveau moléculaire jusqu’à récemment avec le Prix Nobel 2014 développement de la superrésolution.
Microscopes optiques traditionnels flouter de très petits objets qui sont proches les uns des autres dans un échantillon, car la lumière se propage lorsqu’elle se déplace dans l’espace. Avec la superrésolution, les sondes fluorescentes attachées à l’échantillon pourraient être allumées et éteintes comme des étoiles scintillantes par une nuit claire. En collectant et en combinant de nombreuses images de ces sondes, une image à super résolution peut mettre en évidence de très petits objets. La superrésolution a ouvert un tout nouveau monde en biologie, révélant des structures aussi petites que 10 nanomètres, soit environ la taille d’une molécule de protéine.
Cependant, les sondes fluorescentes sur lesquelles repose cette technique peuvent s’user rapidement. Cela limite son utilisation dans l’étude des processus qui se déroulent sur de longues périodes, comme la division cellulaire.
Mon équipe de recherche et moi avons développé une solution que nous appelons Nanoscopie PIN. Au lieu d’absorber la lumière comme le font les sondes fluorescentes traditionnelles, les sondes que nous utilisons diffusent la lumière afin qu’elles ne se décomposent pas avec une exposition répétée à la lumière.
Pour résoudre de très petits objets proches les uns des autres, nous avons construit des filtres constitués de fines couches de polymères et de cristaux liquides qui permettent la détection de la lumière diffusée, ce qui déclenche l’activation et la désactivation des sondes. Cela nous a permis de voir des détails à l’échelle nanométrique des cellules qui seraient autrement floues par les microscopes traditionnels.
Remarquablement, nous avons constaté que ces détails à l’échelle nanométrique pouvaient être visualisés pendant de très longues périodes, plus de 250 heures. Ces détails seraient généralement perdus au fil du temps avec les méthodes de superrésolution traditionnelles.
Un nouvel éclairage sur la division cellulaire
Nous avons ensuite appliqué notre méthode pour étudier comment les blocs de construction moléculaires s’organisent dans la division cellulaire.
Nous nous sommes concentrés sur une protéine appelée actine qui aide à maintenir la structure cellulaire, parmi de nombreuses autres fonctions. L’actine a la forme de filaments ramifiés, chacun d’environ 7 nanomètres (millionièmes de millimètre) de diamètre, qui se lient ensemble pour s’étendre sur des milliers de nanomètres. À l’aide de la nanoscopie PINE, nous avons attaché des sondes de diffusion à l’actine pour suivre visuellement les cellules humaines lors de leur division.
Nous avons fait trois observations sur la façon dont les éléments constitutifs de l’actine s’organisent au cours de la division cellulaire. Premièrement, ces blocs de construction moléculaires se dilatent pour augmenter leurs connexions avec leurs voisins. Deuxièmement, ils se rapprochent également de leurs voisins pour augmenter leurs points de contact. Et troisièmement, les réseaux résultants ont tendance à se contracter lorsque les molécules d’actine sont plus connectées les unes aux autres et à se développer lorsqu’elles sont moins connectées les unes aux autres.
Sur la base de ces constatations, nous avons pu découvrir de nouvelles informations sur le processus de division cellulaire. Nous avons constaté que les interactions entre les éléments constitutifs de l’actine se synchronisent avec la contraction et l’expansion de la cellule entière pendant la division. En d’autres termes, le comportement des molécules d’actine est lié au comportement de la cellule : la cellule se contracte lorsque l’actine se dilate, et elle se dilate lorsque l’actine se contracte.
La microscopie à superrésolution a remporté le prix Nobel de chimie 2014.
Découvrir la maladie avec la superrésolution
Nous prévoyons d’utiliser notre méthode pour étudier comment d’autres blocs de construction moléculaires s’organisent en tissus et organes. Comme les cellules, les tissus et les organes sont organisé en hiérarchie qui peuvent être examinés à partir d’une échelle de petite à grande. L’examen du processus dynamique et complexe de la façon dont les blocs de construction des protéines interagissent les uns avec les autres pour former des structures plus grandes pourrait faire progresser la création future de nouveaux tissus et organes de remplacement, tels que les greffes de peau.
Nous prévoyons également d’utiliser notre technique d’imagerie pour étudier comment les éléments constitutifs des protéines se désorganisent dans la maladie. Les protéines s’organisent en cellules, les cellules s’organisent en tissus et les tissus s’organisent en organes. Un très petit changement dans les blocs de construction peut déranger cette organisation, avec des effets qui peuvent entraîner des maladies comme le cancer. Notre technique pourrait potentiellement aider les chercheurs à visualiser et, à leur tour, à mieux comprendre comment les défauts moléculaires des tissus et des organes peuvent se transformer en maladie.
Plus d’information:
Guangjie Cui et al, Le nanoscope à intensité de phase (PINE) ouvre des fenêtres d’investigation de longue date sur la matière vivante, Communication Nature (2023). DOI : 10.1038/s41467-023-39624-w
Cet article est republié de La conversation sous licence Creative Commons. Lis le article original.