Des chercheurs de l’Université de Kyoto, de l’Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) et de Photron Limited au Japon ont développé la caméra la plus rapide au monde capable de détecter la fluorescence à partir de molécules uniques. Ils décrivent la technologie et des exemples de sa puissance dans deux articles publiés dans le même numéro du Journal de biologie cellulaire.
« Notre travail avec cet appareil photo aidera les scientifiques à comprendre comment le cancer se propage et à développer de nouveaux médicaments pour le traitement du cancer », a déclaré l’expert en bio-imagerie Takahiro Fujiwara, qui a dirigé la recherche à l’Institute for Integrated Cell-Material Sciences (iCeMS).
L’imagerie à molécule fluorescente unique (SFMI) utilise une molécule fluorescente comme étiquette reporter qui peut se lier aux molécules d’intérêt dans une cellule et révéler où elles se trouvent et comment elles se déplacent et se lient les unes aux autres. La caméra ultra-rapide de l’équipe permet la plus haute résolution dans le temps jamais atteinte par SFMI. Il peut détecter les mouvements d’une seule molécule qui sont 1 000 fois plus rapides que la fréquence d’images vidéo normale. Plus précisément, il peut détecter une molécule avec une étiquette fluorescente attachée toutes les 33 microsecondes avec une précision de position de 34 nanomètres, ou toutes les 100 microsecondes avec une précision de 20 nanomètres.
« Nous pouvons maintenant observer comment les molécules individuelles dansent dans les cellules vivantes, comme si nous regardions un ballet dans un théâtre », explique Fujiwara. Il souligne que les techniques SFMI précédentes étaient comme regarder le ballet une fois toutes les 30 secondes, de sorte que le public devait deviner l’histoire à partir d’observations aussi rares. C’était extrêmement difficile et les suppositions étaient souvent entièrement fausses.
De plus, la caméra ultra-rapide que l’équipe a développée a considérablement amélioré la résolution temporelle d’une méthode précédente de super résolution spatiale, qui a été récompensée par le prix Nobel de chimie en 2014. Dans cette méthode antérieure, les positions des molécules individuelles sont enregistrées sous forme de petits points de environ 20 nm, formant des images comme les peintures pointillistes des nouveaux impressionnistes, menés par Georges Seurat. Cependant, le problème du pointillisme au microscope a été que la formation d’image est extrêmement lente et qu’il faut souvent plus de 10 minutes pour obtenir une seule image, et donc les spécimens devaient être des cellules mortes fixées chimiquement. Avec la caméra ultra-rapide développée, l’image peut être formée en 10 secondes, environ 60 fois plus vite, permettant des observations de cellules vivantes.
L’équipe a en outre démontré la puissance de leur caméra en examinant la localisation et le mouvement d’une protéine réceptrice impliquée dans les cancers et une structure cellulaire appelée adhésion focale. L’adhérence focale est un complexe de molécules de protéines qui relie des faisceaux de protéines structurelles à l’intérieur des cellules au matériau à l’extérieur des cellules appelé matrice extracellulaire. Il peut jouer un rôle important dans les interactions mécaniques cellulaires avec son environnement, permettant aux cellules cancéreuses de se déplacer et de métastaser.
Dans une étude, nous avons découvert qu’un récepteur favorisant le cancer qui se lie aux molécules de signalisation est confiné dans un compartiment cellulaire spécifique pendant une durée plus longue lorsqu’il est activé. Dans un autre, nous avons révélé des structures ultrafines et des mouvements moléculaires au sein de l’adhérence focale qui sont impliqués dans les activités des cellules cancéreuses. »
Akihiro Kusumi, auteur correspondant, professeur à l’OIST et professeur émérite de l’Université de Kyoto
Les résultats ont permis à l’équipe de proposer un modèle raffiné de structure et d’activité d’adhésion focale.
De nombreuses équipes de recherche dans le monde s’intéressent au développement de médicaments pouvant interférer avec le rôle des adhérences focales dans le cancer. La caméra ultra-rapide développée par l’équipe en collaboration avec M. Takeuchi de Photron Limited, un fabricant de caméras au Japon, aidera ces efforts en révélant une compréhension plus approfondie de la façon dont ces structures se déplacent et interagissent avec d’autres structures à l’intérieur et à l’extérieur des cellules.
