Les rayons X à haute brillance de BESSY II peuvent être utilisés pour produire des images microscopiques avec une résolution spatiale jusqu’à quelques dizaines de nanomètres. Les volumes de cellules entières peuvent être examinés sans avoir besoin d’une préparation d’échantillon complexe comme en microscopie électronique. Au microscope à rayons X, les minuscules organites cellulaires avec leurs structures fines et leurs membranes limites apparaissent claires et détaillées, même en trois dimensions. Cela rend la tomographie à rayons X cryogénique idéale pour étudier les changements dans les structures cellulaires causés, par exemple, par des déclencheurs externes.
Jusqu’à présent, cependant, l’évaluation des tomographies 3D nécessitait une analyse des données largement manuelle et laborieuse. Pour surmonter ce problème, des équipes dirigées par l’informaticien Prof. Dr. Frank Noé et le biologiste cellulaire Prof. Dr. Helge Ewers (tous deux de la Freie Universität Berlin) ont maintenant collaboré avec le département de microscopie à rayons X du HZB. L’équipe informatique a développé un nouvel algorithme d’auto-apprentissage. Cette méthode d’analyse basée sur l’IA est basée sur la détection automatisée des structures subcellulaires et accélère l’analyse quantitative des ensembles de données de rayons X 3D. Les images 3D de l’intérieur d’échantillons biologiques ont été acquises sur la ligne de lumière U41 de BESSY II.
« Dans cette étude, nous avons maintenant montré à quel point l’analyse basée sur l’IA des volumes cellulaires fonctionne, en utilisant des cellules de mammifères provenant de cultures cellulaires qui ont ce qu’on appelle des filopodes », explique le Dr Stephan Werner, expert en microscopie à rayons X au HZB. Les cellules de mammifères ont une structure complexe avec de nombreux organites cellulaires différents, chacun devant remplir différentes fonctions cellulaires. Les filopodes sont des saillies de la membrane cellulaire et servent notamment à la migration cellulaire. « Pour la cryomicroscopie à rayons X, les échantillons de cellules sont d’abord congelés par choc, si rapidement qu’aucun cristal de glace ne se forme à l’intérieur de la cellule. Cela laisse les cellules dans un état presque naturel et nous permet d’étudier l’influence structurelle de facteurs externes à l’intérieur de la cellule. cellule », explique Werner.
Notre travail a déjà suscité un intérêt considérable parmi les experts. »
Michael Dyhr, premier auteur, Freie Universität Berlin
Le réseau de neurones reconnaît correctement environ 70 % des caractéristiques cellulaires existantes en très peu de temps, permettant ainsi une évaluation très rapide de l’ensemble de données. « A l’avenir, nous pourrions utiliser cette nouvelle méthode d’analyse pour étudier comment les cellules réagissent aux influences environnementales telles que les nanoparticules, les virus ou les cancérigènes beaucoup plus rapidement et de manière plus fiable qu’auparavant », explique Dyhr.
