Deux têtes valent mieux qu'une, comme le dit le proverbe, et parfois deux instruments, ingénieusement recombinés, peuvent accomplir des exploits que ni l'un ni l'autre n'aurait pu faire seul.
C'est le cas avec un microscope hybride, né au Marine Biological Laboratory (MBL), qui permet pour la première fois aux scientifiques d'imaginer simultanément l'orientation 3D complète et la position d'un ensemble de molécules, telles que les protéines marquées à l'intérieur des cellules. La recherche est publiée cette semaine dans Actes de l'Académie nationale des sciences.
Le microscope combine la technologie de fluorescence polarisée, un outil précieux pour mesurer l'orientation des molécules, avec un microscope à feuille lumineuse à double vue (DISPIM), qui excelle à l'imagerie le long de l'axe de profondeur (axial) d'un échantillon.
Cette portée peut avoir des applications puissantes. Par exemple, les protéines modifient leur orientation 3D, généralement en réponse à leur environnement, ce qui leur permet d'interagir avec d'autres molécules pour remplir leurs fonctions.
« En utilisant cet instrument, des changements d'orientation des protéines 3D peuvent être enregistrés », a déclaré le premier auteur Talon Chandler de CZ Biohub San Francisco, un ancien étudiant diplômé de l'Université de Chicago qui a mené cette recherche en partie à MBL. « Il y a une véritable biologie qui pourrait vous être cachée à partir d'un simple changement de position d'une molécule seule », a-t-il déclaré.
L'imagerie des molécules dans la broche d'une cellule divisée – un défi de longue date à MBL et ailleurs – est un autre exemple.
Avec la microscopie traditionnelle, y compris la lumière polarisée, vous pouvez assez bien étudier la broche si elle est dans le plan perpendiculaire à la direction de vision. Dès que l'avion est incliné, la lecture devient ambiguë. «
Rudolf Oldenbourg, co-auteur, scientifique principal chez MBL
Ce nouvel instrument permet de « corriger » l'inclinaison et de capturer toujours l'orientation 3D et la position des molécules de broche (microtubules).
L'équipe espère accélérer son système afin qu'ils puissent observer comment la position et l'orientation des structures dans les échantillons vivants changent au fil du temps. Ils espèrent également que le développement de futures sondes fluorescentes permettra aux chercheurs d'utiliser leur système pour image une plus grande variété de structures biologiques.
Une confluence de vision
Le concept de ce microscope s'est géré en 2016 par le brainstorming par des innovateurs en microscopie qui se sont rencontrés au MBL.
Hari Shroff de HHMI Janelia, alors aux National Institutes of Health (NIH) et à un boursier MBL Whitman, travaillait avec son microscope dispositif conçu sur mesure à MBL, qu'il a construit en collaboration avec Abhishek Kumar, maintenant chez MBL.
Le microscope Disim a deux chemins d'imagerie qui se réunissent à un angle droit sur l'échantillon, permettant aux chercheurs d'éclairer et d'imaginer l'échantillon sous les deux angles. Cette double vue peut compenser la mauvaise résolution de la profondeur de toute vue unique et illuminer avec plus de contrôle sur la polarisation que les autres microscopes.
Dans la conversation, Shroff et Oldenbourg ont réalisé que le microscope à double vue pourrait également aborder une limitation de la microscopie optique polarisée, à savoir qu'il est difficile d'illuminer efficacement l'échantillon avec une lumière polarisée le long de la direction de la propagation de la lumière.
« Si nous avions deux vues orthogonales, nous pourrions ressentir une fluorescence polarisée dans cette direction beaucoup mieux », a déclaré Shroff. « Nous avons pensé, pourquoi ne pas utiliser la jette pour prendre des mesures de fluorescence polarisées? »
Shroff avait collaboré à MBL avec Patrick La Rivière, professeur à l'Université de Chicago dont le laboratoire développe des algorithmes pour les systèmes d'imagerie informatique. Et La Rivière avait un nouvel étudiant diplômé dans son laboratoire, Talon Chandler, qu'il a apporté à MBL. Le défi de combiner ces deux systèmes est devenu une thèse de doctorat de Chandler, et il a passé l'année suivante dans le laboratoire d'Oldenbourg au MBL à y travailler.
L'équipe, qui comprenait tôt Shalin Mehta, alors basée à MBL, a équipé la distribution de cristaux liquides, ce qui leur a permis de changer la direction de la polarisation d'entrée.
« Et puis j'ai passé beaucoup de temps à travailler, à quoi ressemblerait une reconstruction pour cela? Quel est le plus que nous pouvons récupérer à partir de ces données que nous commençons maintenant à acquérir? » Dit Chandler. Le co-auteur Min Guo, alors situé au laboratoire précédent de Shroff au NIH, a également travaillé sans relâche sur cet aspect, jusqu'à ce qu'ils atteignent leur objectif de reconstructions 3D complètes d'orientation et de position moléculaire.
« Il y avait des tonnes de diaphonie entre le MBL, l'Université de Chicago et le NIH, comme nous l'avons travaillé », a déclaré Chandler.
