Visualiser l'intérieur des cellules à des résolutions auparavant impossibles fournit des informations précises sur leur fonctionnement

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

Jeremy Berg ne travaille pas pour, ne consulte pas, ne détient pas d'actions ou ne reçoit de financement d'aucune entreprise ou 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 composée de cellules de plusieurs magnitudes plus petites qu'un grain de sel. Leurs structures apparemment simples masquent l'activité moléculaire complexe et complexe qui leur permet d'exercer les fonctions qui maintiennent la vie. Les chercheurs commencent à être en mesure de visualiser cette activité à un niveau de détail qu'ils n'avaient pas pu atteindre 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 travaillant vers le haut. Cependant, il y a eu 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 dans les cellules.

Par analogie avec Google Maps, alors que les scientifiques ont pu voir des villes entières et des maisons individuelles, ils n'avaient pas les outils pour voir comment les maisons s'unissaient 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 ce fossé. Et le développement continu d'une technique particulière, la tomographie cryo-électronique, ou cryo-ET, a le potentiel d'approfondir la façon dont les chercheurs étudient et comprennent le fonctionnement des cellules dans la santé et la 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 capables de déterminer en détail les structures biologiques. Tout comme il devient plus facile de comprendre le fonctionnement de systèmes complexes lorsque vous savez à quoi ils ressemblent, comprendre comment les structures biologiques s'imbriquent dans une cellule est essentiel pour comprendre le fonctionnement des organismes.

Au 17e 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 au sein des cellules, y compris les organites comme le réticulum endoplasmique, un réseau complexe de membranes qui jouent un rôle clé dans la synthèse et le transport des protéines.

Des années 1940 aux années 1960, les biochimistes ont travaillé pour séparer les cellules en leurs composants moléculaires et apprendre à déterminer les structures 3D des protéines et autres macromolécules à ou près de la résolution atomique. Cela a d'abord été fait 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 cryo-microscopie électronique ont rapidement augmenté le nombre et la complexité des structures que les scientifiques peuvent visualiser.

La microscopie cryo-électronique, ou cryo-EM, utilise une caméra pour détecter comment un faisceau d'électrons est dévié lorsque les électrons traversent un échantillon pour 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. Parce que la plupart des cellules sont trop épaisses pour être imagées 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 prendre plusieurs photos de celui-ci sous différents angles, analogue à un scanner d'une partie du corps - bien que dans ce cas, le système d'imagerie lui-même 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.

La résolution de cette image est suffisamment élevée pour que les chercheurs – ou les programmes informatiques – puissent identifier les composants individuels des différentes structures d'une cellule. Les chercheurs ont utilisé cette approche, par exemple, pour montrer comment les protéines se déplacent et sont dégradées à l'intérieur d'une cellule d'algue.

De nombreuses étapes que les chercheurs devaient autrefois effectuer manuellement pour déterminer les structures des cellules sont en train de devenir automatisées, ce qui permet aux scientifiques d'identifier de nouvelles structures à des vitesses beaucoup plus élevées. Par exemple, la combinaison de cryo-EM avec des programmes d'intelligence artificielle comme AlphaFold peut faciliter l'interprétation d'images en prédisant des structures protéiques qui n'ont pas encore été caractérisées.

À mesure que les méthodes d'imagerie et les flux de travail s'améliorent, les chercheurs pourront aborder certaines questions clés de la biologie cellulaire avec différentes stratégies.

La première étape consiste à décider quelles cellules et quelles régions de ces cellules étudier. Une autre technique de visualisation appelée microscopie lumineuse et électronique corrélée, ou CLEM, utilise des étiquettes fluorescentes pour aider à localiser les régions où des processus intéressants se déroulent dans les cellules vivantes.

La comparaison de la différence génétique entre les cellules peut fournir des informations supplémentaires. Les scientifiques peuvent observer des cellules incapables d'accomplir des fonctions particulières et voir comment cela se reflète dans leur structure. Cette approche peut également aider les chercheurs à étudier comment les cellules interagissent les unes avec les autres.

Cryo-ET est susceptible de rester un outil spécialisé pendant un certain temps. Mais d'autres développements technologiques et une accessibilité croissante permettront à la communauté scientifique d'examiner le lien entre la structure et la fonction cellulaires à des niveaux de détail auparavant inaccessibles. Je m'attends à voir de nouvelles théories sur la façon dont nous comprenons les cellules, passant de sacs désorganisés de molécules à des systèmes complexes et dynamiques.