Sur les traces du Nobel de chimie 2014

Par Gaëlle Degrez / Publié le 4 novembre 2014

Le prix Nobel de chimie 2014 a été décerné aux Américains Eric Betzig et William Moerner, et à l'Allemand Stefan Hell, qui ont amélioré la puissance du microscope, lui permettant de voir l'extrêmement petit. Une étape importante pour l’imagerie du vivant mais qui est loin d’être la dernière, comme nous l’expliquent Guillaume Dupuis, enseignant-chercheur au Centre Laser de l’Université Paris-Sud (CLUPS) et Sandrine Lévêque-Fort, chercheur à l’Institut des Sciences Moléculaires d’Orsay (ISMO – UPSud/CNRS) dont les travaux dans ce domaine explorent une voie originale.

Quel est le domaine dans lequel vous travaillez et qui vient d'être récompensé par le Nobel de Chimie ?


Guillaume Dupuis, enseignant-chercheur au Centre Laser de l’Université Paris-Sud (CLUPS) et Sandrine Lévêque-Fort, chercheur à l’Institut des Sciences Moléculaires d’Orsay (ISMO – UPSud/CNRS)

Nous développons des techniques dites de « super-résolution » en microscopie photonique. Ces méthodes d'imagerie extrêmement innovantes permettent d'observer la matière vivante à une échelle extrêmement fine, jusqu'aux plus petits composants comme les protéines. Leur développement ouvre de nouvelles perspectives dans la compréhension de certaines maladies notamment neurobiologiques comme Alzheimer ou Parkinson. Les Américains Eric Betzig et William Moerner et l’Allemand Stefan Hell ont reçu le prix Nobel de chimie pour avoir été les pionniers dans ce domaine.

En quoi leurs travaux méritaient-ils le Nobel ?

En quelques années, la visualisation de l'infiniment petit dans le monde du vivant a fait des progrès considérables. Elle se heurtait pourtant encore à des barrières techniques que les trois scientifiques ont, de façon indépendante, contribué à lever.

Faisons un peu d'histoire. Longtemps, l'observation du monde vivant s'est pratiquée à l'oeil nu. Elle est limitée par un faible pouvoir de résolution qui correspond à la distance en-deçà de laquelle deux points ne peuvent plus être distingués. En gros, notre vue est limitée à l'épaisseur d'un cheveu, soit environ 0,1 mm ou 100 μm. Nous sommes donc bien loin de pouvoir observer une cellule animale dont la taille est plutôt de l’ordre de 10 μm en moyenne. L'invention du premier microscope optique (1690) attribuée au Hollandais Leeuwenhoek et par certains à son prédécesseur, Zacharias Jansen, a justement permis de gagner ce facteur 100 et s’est révélé comme un outil révolutionnaire pour la médecine et la chirurgie. Les technologies se sont ensuite largement développées mais une théorie énoncée par l’Allemand Ernst Abbe en 1873 et jusque là admise par tous, voulait qu’un microscope ne pourrait jamais permettre de discerner des objets plus petits que la moitié de la longueur d’onde de la lumière qui les éclaire. C’est cette limite de résolution d’environ 200 nanomètres que les trois lauréats du prix Nobel ont réussi à repousser avec des techniques différentes mais toutes trois basées sur la fluorescence.

Mais le microscope électronique n’a-t-elle pas permis justement de repousser ces limites ?

Effectivement, au milieu du XXe siècle, l’invention du microscope électronique a permis d’atteindre un pouvoir de résolution de 0,2 nm soit 1000 fois supérieure à celui du microscope photonique. Pour y parvenir, il n’utilise plus la lumière visible mais des faisceaux d’électrons. Mais si les images obtenues donnent des informations morphologiques et topographiques importantes, les observations se font toujours sur du matériel figé (notamment par cryogénie) , le plus souvent en coupes très fines (quelques dizaines de nanomètres). Observer des cellules vivantes, en mouvement et, si possible, en trois dimensions représentait donc toujours un défi.

C’est donc ce défi que les trois lauréats du Prix Nobel de chimie ont réussi à relever ?

Exactement. Ils y sont chacun de leur coté parvenus en jouant astucieusement avec la technique de la microscopie à fluorescence mais à très haute résolution. Connue depuis le début du XXe siècle, la microscopie à fluorescence consiste à ajouter des molécules fluorescentes à une préparation, ce qui permet de mettre en évidence plus facilement certaines familles de molécules ou certaines structures.Stefan Hell, a mis au point une technique qu’il a appelée « microscopie à déplétion par émission stimulée » (STED). Il a eu l’idée de coupler deux faisceaux laser: l'un excite les molécules fluorescentes pour qu'elles brillent, l'autre supprime toute fluorescence mis à part celle issue du centre du volume focal. Il est également possible d’améliorer drastiquement la résolution spatiale en microscopie optique de fluorescence en utilisant la localisation successive de molécules uniques, individuellement photo-activées, avec une précision nanométrique. C’est la voie qu’ont choisie, chacun de leur côté, Eric Betzig, et William Moerner en créant la microscopie par super-localisation de molécules uniques. Leur méthode repose sur la possibilité d'allumer et d'éteindre la fluorescence de molécules individuelles. Ils imagent la même zone de l’échantillon à de multiples reprises, en laissant juste quelques molécules éparses briller à chaque fois. La superposition de cartes de localisation des molécules individuelles produit une image super-résolue dont la résolution atteint le niveau nanométrique.

Avec l’attribution du prix Nobel, cela signifie-t-il que la microscopie a désormais atteint sa dernière limite ?

Pas du tout et bien au contraire. Les techniques de super-résolution ont déjà eu un impact clair sur la biologie cellulaire moderne. Mais bien qu’elles représentent une avancée formidable sur la microscopie de fluorescence conventionnelle, chacune dispose d’avantages et surtout d’inconvénients qui lui sont spécifiques. A l’heure actuelle, il n’existe pas de système idéal qui combine une excellente résolution en trois dimensions et l’imagerie d’échantillons multi-marqués avec des temps d’acquisition et des puissances lumineuses compatibles avec l’étude de cellules vivantes. Un des défis qui reste encore à relever consiste notamment à améliorer aussi la résolution dans la direction de propagation de la lumière (et non seulement dans les directions orthogonales). De tels développements instrumentaux sont justement en cours dans nos laboratoires de l’Université Paris-Sud. Il s’agit d’une collaboration entre le Centre de Photonique Biomédicale du CLUPS et l’équipe Biophotonique de l’ISMO, ce travail d’équipe implique actuellement Sandrine Lécart (ingénieur de recherche), Emmanuel Fort (Pr ESPCI/ParisTech) et Nicolas Bourg (Doctorant en 3ème année).

Nous avons d'ailleurs récemment soumis une publication décrivant la stratégie de détection originale que nous avons développée et dont les résultats sont visibles sur l’image en Une. Ces progrès sont attendus avec impatience notamment par les neurobiologistes du Centre de Recherche de l'Institut du Cerveau et de la Moelle épinière à la Pitié-Salpêtrière avec lesquels nous collaborons depuis plusieurs années. Les techniques que nous développons devraient leur permettre d'améliorer leur compréhension des mécanismes de la maladie d'Alzheimer.


Image du réseau d'actine d'une cellule, obtenue sur l'un des instruments mis au point par les deux chercheurs de L'Université Paris-Sud. A gauche : image obtenue conventionnellement, sans super-résolution (résolution limitée par la diffraction à environ 200 nm) ; à droite : image super-résolue par super-localisation de molécules uniques (résolution de l'ordre de 35 nm). © Nicolas Bourg

Dernière modification le 6 novembre 2014