Visualiser l’intérieur des cellules à des résolutions auparavant impossibles fournit un aperçu saisissant de leur fonctionnement

Professeur de biologie computationnelle et systémique, vice-chancelier principal associé pour la stratégie et la planification scientifiques, Université de Pittsburgh

Jeremy Berg ne travaille, ne consulte, ne détient d'actions ni ne reçoit de financement d'une entreprise ou d'une organisation qui bénéficierait de cet article, et n'a divulgué aucune affiliation pertinente au-delà de sa nomination universitaire.

L'Université de Pittsburgh fournit un financement en tant que membre de The Conversation US.

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Toute vie est constituée de cellules plusieurs fois plus petites qu’un grain de sel. Leurs structures apparemment simples masquent l’activité moléculaire complexe qui leur permet de remplir les fonctions nécessaires à la vie. Les chercheurs commencent à être capables de visualiser cette activité avec un niveau de détail jamais atteint auparavant.

Les structures biologiques peuvent être visualisées soit en commençant au niveau de l’organisme entier et en descendant, soit en commençant au niveau des atomes individuels et en progressant. Cependant, il existe un écart de résolution entre les plus petites structures d'une cellule, telles que le cytosquelette qui soutient la forme de la cellule, et ses plus grandes structures, telles que les ribosomes qui fabriquent les protéines des cellules.

Par analogie avec Google Maps, même si les scientifiques ont pu voir des villes entières et des maisons individuelles, ils n’avaient pas les outils nécessaires pour voir comment les maisons s’assemblaient pour former des quartiers. Il est essentiel de voir ces détails au niveau du quartier pour pouvoir comprendre comment les composants individuels fonctionnent ensemble dans l’environnement d’une cellule.

De nouveaux outils comblent progressivement cet écart. Et le développement continu d’une technique particulière, la cryo-tomographie électronique, ou cryo-ET, a le potentiel d’approfondir la manière dont les chercheurs étudient et comprennent le fonctionnement des cellules en bonne santé et en maladie.

En tant qu'ancien rédacteur en chef du magazine Science et chercheur ayant étudié pendant des décennies de grandes structures protéiques difficiles à visualiser, j'ai été témoin de progrès étonnants dans le développement d'outils permettant de déterminer les structures biologiques en détail. Tout comme il devient plus facile de comprendre le fonctionnement de systèmes complexes lorsque l’on sait à quoi ils ressemblent, comprendre comment les structures biologiques s’emboîtent dans une cellule est essentiel pour comprendre le fonctionnement des organismes.

Au XVIIe siècle, la microscopie optique révèle pour la première fois l’existence de cellules. Au XXe siècle, la microscopie électronique offrait encore plus de détails, révélant les structures élaborées des cellules, notamment des organites comme le réticulum endoplasmique, un réseau complexe de membranes jouant un rôle clé dans la synthèse et le transport des protéines.

Des années 1940 aux années 1960, les biochimistes ont travaillé à séparer les cellules en leurs composants moléculaires et ont appris à déterminer les structures 3D des protéines et d'autres macromolécules à une résolution atomique ou proche. Cela a été réalisé pour la première fois en utilisant la cristallographie aux rayons X pour visualiser la structure de la myoglobine, une protéine qui fournit de l'oxygène aux muscles.

Au cours de la dernière décennie, les techniques basées sur la résonance magnétique nucléaire, qui produit des images basées sur la façon dont les atomes interagissent dans un champ magnétique, et la cryomicroscopie électronique ont rapidement augmenté le nombre et la complexité des structures que les scientifiques peuvent visualiser.

La microscopie cryoélectronique, ou cryo-EM, utilise une caméra pour détecter la manière dont un faisceau d'électrons est dévié lorsque les électrons traversent un échantillon afin de visualiser les structures au niveau moléculaire. Les échantillons sont rapidement congelés pour les protéger des dommages causés par les radiations. Des modèles détaillés de la structure d'intérêt sont créés en prenant plusieurs images de molécules individuelles et en les faisant la moyenne dans une structure 3D.

Cryo-ET partage des composants similaires avec cryo-EM mais utilise des méthodes différentes. Étant donné que la plupart des cellules sont trop épaisses pour être représentées clairement, une région d’intérêt dans une cellule est d’abord amincie à l’aide d’un faisceau d’ions. L’échantillon est ensuite incliné pour en prendre plusieurs photos sous différents angles, de la même manière qu’un scanner d’une partie du corps – bien que dans ce cas, c’est le système d’imagerie lui-même qui soit incliné, plutôt que le patient. Ces images sont ensuite combinées par un ordinateur pour produire une image 3D d'une partie de la cellule.