La lumière laser bleue rotative révèle une dynamique inimaginable dans les cellules vivantes

Les faisceaux laser bleus tournent autour de l’objet 100 fois par seconde (schéma à gauche). Les ondes lumineuses diffusées au niveau des structures cellulaires (cellule) génèrent ainsi 100 images super-résolues par seconde. Dans une rotation de 10 ms (0-360 °), des ondes lumineuses déformées en continu produisent l’image d’une netteté remarquable d’une cellule uniquement à partir de la lumière laser diffusée, comme le montre la photo ci-dessous. Crédit : AG Rohrbach

Lorsque les villes se transforment en un monde de lumières colorées à la tombée de la nuit, il est souvent seulement possible d’estimer leurs contours, ce qui, selon la perspective, peut attirer l’attention sur des détails clés ou des anecdotes. En microscopie à fluorescence, les cellules biologiques sont marquées avec des colorants fluorescents et excitées pour luminescence dans des zones spécifiques par des commutateurs optiques – comme une ville la nuit. Cependant, cette lumière est généralement trop faible pour les petits objets rapides, ou même s’éteint après un certain temps. Ceci est connu sous le nom de “blanchiment par fluorescence”.

Maintenant, une nouvelle approche développée par le Prof. dr. dr. Alexander Rohrbach et son équipe du Laboratoire de bio- et nano-photonique de l’Université de Fribourg ont trouvé un moyen de rendre les plus petits objets clairement visibles sans fluorescence. De cette façon, des structures cellulaires ou des particules de la taille d’un virus peuvent être observées 100 à 1 000 fois plus longtemps, 10 à 100 fois plus rapidement et avec une résolution presque doublée qu’avec la microscopie à fluorescence. Alors que la microscopie à fluorescence enregistre ce que vous pourriez appeler des “images nocturnes” des structures, la microscopie ROCS prend des “images diurnes” – des opposés qui peuvent parfaitement se compléter. Rohrbach et ses collègues décrivent diverses applications de la technologie dans le dernier numéro de Communication Nature

Le laser bleu dirigé illumine l’objet à un angle oblique

La technologie qu’ils utilisent est connue sous le nom de “Rotating Coherent Scattering” (ROCS) et utilise un faisceau laser bleu à rotation rapide. “Nous exploitons plusieurs phénomènes physiques familiers de la vie quotidienne”, explique Rohrbach, “Premièrement, les petits objets comme les molécules, les virus ou les structures cellulaires diffusent ou distribuent le plus la lumière bleue, qui est connue des molécules d’air dans l’atmosphère et qui nous percevons comme un ciel bleu.” Les petits objets dispersent et dirigent environ dix fois plus de particules de lumière bleue que de particules de lumière rouge vers la caméra et transmettent ainsi des informations précieuses.

Deuxièmement, ROCS cible un laser bleu à un angle très oblique sur les objets biologiques, car cela augmente considérablement le contraste et la résolution. Cela nous est déjà familier : si vous tenez un verre à vin incliné par rapport à la lumière, il est beaucoup plus facile de repérer la saleté ou les empreintes digitales. Troisièmement, les scientifiques éclairent l’objet successivement dans chaque direction avec le faisceau laser oblique, car l’éclairage dans une seule direction produirait de nombreux artefacts.

100 images par seconde de cellules vivantes

Le physicien fribourgeois et les ingénieurs du Département d’ingénierie des microsystèmes (IMTEK) font tourner le faisceau laser oblique cent fois par seconde autour de l’objet et produisent ainsi 100 images par seconde. “Ainsi, en dix minutes, nous avons déjà 60 000 images de cellules vivantes, qui s’avèrent être beaucoup plus dynamiques qu’on ne le pensait auparavant”, explique Rohrbach. Cependant, des analyses dynamiques comme celle-ci exigent une énorme puissance de calcul pour traiter seulement une minute de matériel visuel. Par conséquent, une variété d’algorithmes informatiques et de processus analytiques ont d’abord dû être développés afin que les données puissent être correctement interprétées.

Avec son collègue Dr. Felix Jünger et en coopération avec divers groupes de recherche de Fribourg, Rohrbach a pu démontrer la capacité du microscope en utilisant divers systèmes cellulaires : « Notre objectif principal n’était pas de générer de jolies images ou des films de la dynamique étonnamment élevée des cellules, nous voulions acquérir de nouvelles connaissances biologiques.” Par exemple, la technologie ROCS leur a permis d’observer comment les mastocytes ouvrent de petits pores en quelques millisecondes seulement lorsqu’ils sont stimulés, afin d’éjecter des granules sphériques à une force et une vitesse inexplicablement élevées. Les granulés contiennent l’histamine, un transmetteur, qui peut ensuite provoquer des réactions allergiques.

Observer le comportement de liaison des particules de la taille d’un virus

Dans une autre série d’expériences, les chercheurs ont pu observer comment de minuscules particules de la taille d’un virus dansaient à une vitesse incroyable autour de la surface rugueuse des cellules charognardes, faisant plusieurs essais pour trouver un point de liaison sur la cellule. Ces observations ont servi de prétests pour les études en cours sur le comportement de liaison des coronavirus.

Par ailleurs, la technologie ROCS a été utilisée au sein du pôle de recherche collaborative CRC 1425 sur la formation de cicatrices dans les lésions cardiaques. Les fibroblastes, c’est-à-dire les cellules du tissu cicatriciel, forment des tubes fins de 100 nanomètres, appelés nano-tubes, qui sont 1 000 fois plus fins qu’un cheveu. Grâce à cette nouvelle technologie, Jünger et Rohrbach ont pu découvrir que ces tubes vibraient thermiquement à l’échelle des millisecondes, mais ce mouvement s’estompe avec le temps. D’après des analyses mathématiques d’activité, cela indique une rigidification mécanique des nano-tubes.

Dans d’autres expériences, les scientifiques ont finalement pu observer sur plusieurs milliers d’images comment les filopodes – les “doigts” des cellules charognardes – recherchent des proies dans leur environnement en utilisant un mouvement de tramage complexe et comment les filopodes peuvent modifier leur cytosquelette à des vitesses jusque-là inconnues.


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Plus d’information:
Felix Jünger et al, la microscopie ROCS 100 Hz corrélée à la fluorescence révèle la dynamique cellulaire à différentes échelles spatio-temporelles, Communication Nature (2022). DOI : 10.1038/s41467-022-29091-0

Fourni par l’Université de Fribourg

Citation: La lumière laser bleue rotative révèle une dynamique inimaginable dans les cellules vivantes (13 avril 2022) récupéré le 14 avril 2022 sur https://phys.org/news/2022-04-rotating-blue-laser-reveals-unimagined.html

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