Imaginez que vous êtes assis dans un étang, écoutant le vacarme des grenouilles coassantes. Vous voulez savoir combien de grenouilles sont dans l'étang, mais vous ne pouvez pas choisir les croas individuels – seulement le son combiné augmentant et tombant en volume alors que les grenouilles commencent et arrêtent de communiquer.
Mais que se passe-t-il si vous pouviez examiner ces changements de volume pour déterminer combien de grenouilles sont dans l'étang?
C'est l'idée derrière une nouvelle méthode développée par le Funke Lab à Janelia pour compter les molécules individuelles contenues dans un seul endroit de lumière détectée par un microscope à fluorescence – une quantité importante pour comprendre la biologie sous-jacente d'un système vivant. Le document est publié dans la revue Nano lettres.
Tout comme le bavardage des grenouilles à l'étang, un endroit de lumière capturé par un microscope à fluorescence est composé de nombreux individus – dans ce cas, des molécules marquées par fluorescence.
La résolution du microscope est limitée par la physique de la lumière et le système lui-même, de sorte que l'instrument ne peut détecter que la somme de ces contributions individuelles – leur luminosité combinée. Comme le volume de croas à l'étang, la tache composée varie en intensité au fil du temps lorsque les molécules clignotent et désactivent.
Pour créer leur nouvelle méthode, l'équipe a d'abord modélisé la voie entière de la lumière à travers le système – des photons laissant le fluorophore à la création du spot détecté par le microscope. À partir de cela, ils ont produit une «trace» ou un tracé de l'intensité du spot dans le temps qui dépend de tous les paramètres du système, à la fois connus et inconnus.
Armés de ce modèle d'apprentissage automatique, les chercheurs se sont ensuite tournés vers la détermination des paramètres inconnus dans une image réelle d'une tache de lumière détectée au microscope. Pour ce faire, ils adaptent leur modèle à une trace de l'intensité de cet endroit au fil du temps.
En peaufinant les paramètres de leur modèle pour reproduire la trace réelle, ils ont pu déduire les quantités inconnues, y compris le nombre de molécules individuelles contenues au seul endroit.
Contrairement aux méthodes de comptage précédentes, qui donnent un seul nombre de molécules individuelles contenues dans un endroit, la nouvelle méthode, Blinx, donne une distribution de probabilité de toutes les réponses possibles. Cela permet aux chercheurs de voir la confiance des prédictions du modèle et de décider s'ils ont besoin de plus de données.
« Parfois, les données ne soutiennent tout simplement pas une seule réponse. Il pourrait y avoir tellement de fluctuation que les informations ne sont tout simplement pas là », explique Jan Funke, leader du groupe de Janelia. « Ce modèle a la capacité de vous dire: je ne sais vraiment pas. »
Blinx peut également compter plus de molécules individuelles que des méthodes similaires, ce qui le rend potentiellement utile pour identifier les protéines individuelles dans un échantillon, selon les chercheurs. Les protéines sont constituées de différentes quantités de différents acides aminés, donc pouvoir détecter le nombre exact de quelques acides aminés clés pourrait aider à identifier les protéines présentes.
Funke dit qu'il espère que non seulement les biologistes commenceront à utiliser Blinx, mais que d'autres chercheurs amélioreront la nouvelle méthode. « Je pense que cela jette les bases d'une nouvelle génération de ces types d'algorithmes », dit-il.
Les chercheurs disent que le développement de Blinx nécessitait un institut de recherche comme Janelia.
« C'est un projet super ambitieux: il y a de nombreuses chances que la chose va fonctionner, et cela demande beaucoup d'expertise multidisciplinaire », explique Alex Hillsley, ancien postdoc dans les laboratoires de Funke et Stern qui ont dirigé le projet.
« Vous avez besoin de quelqu'un qui connaît vraiment la chimie, vous avez besoin de quelqu'un qui connaît vraiment l'imagerie en super-résolution, vous avez besoin de quelqu'un qui connaît vraiment la modélisation, et je ne peux pas imaginer que cela fusionne sauf dans un endroit comme Janelia. »
