BonFIRE ouvre une nouvelle ère en microscopie : dévoile la diversité moléculaire de la vie avec des détails époustouflants

Les chercheurs de Caltech ont développé BonFIRE, une technique de microscopie de pointe qui combine la microscopie à fluorescence et vibrationnelle. Cette nouvelle approche offre une imagerie de molécule unique sans précédent et utilise des isotopes pour créer diverses couleurs vibrationnelles, fournissant ainsi des informations approfondies sur les molécules et les processus biologiques.

Si vous vous imaginez en train de regarder à travers un microscope, vous imaginez probablement regarder une lame de verre avec une amibe, ou peut-être une cellule humaine, ou peut-être même un petit insecte quelconque.

Mais les microscopes peuvent voir bien plus que ces petits êtres vivants, et un nouveau type de microscopie développé au California Institute of Technology (Caltech) facilite la visualisation des molécules mêmes qui composent les êtres vivants.

La technique BonFIRE

Dans un article publié dans la revue Photonique naturelledes chercheurs du laboratoire de Lu Wei, professeur adjoint de chimie et chercheur à l’Heritage Medical Research Institute, démontrent ce qu’ils appellent la spectromicroscopie excitée par infrarouge détectée par fluorescence sélective de liaisons, ou BonFIRE.

BonFIRE combine deux techniques de microscopie en un seul processus avec une plus grande sélectivité et sensibilité, permettant aux chercheurs de visualiser les processus biologiques à un niveau de molécule unique sans précédent et de comprendre les mécanismes biologiques d’un point de vue moléculaire.

« Grâce à notre nouveau microscope, nous pouvons désormais visualiser des molécules uniques avec un contraste vibratoire, ce qui est difficile à réaliser avec les technologies existantes », explique Dongkwan Lee, co-auteur de l’étude et étudiant diplômé en génie chimique.

Le chercheur postdoctoral Haomin Wang (à gauche) et l’étudiant diplômé Dongkwan Lee (à droite) démontrent le fonctionnement de l’appareil de microscopie BonFIRE. Crédit : Caltech

Techniques derrière BonFIRE

Une technique impliquée dans BonFIRE est la microscopie à fluorescence, qui image des molécules et d’autres structures microscopiques en les marquant avec des marqueurs chimiques fluorescents, les faisant briller lorsqu’elles sont photographiées.

L’autre technique est la microscopie vibrationnelle, qui utilise les vibrations naturelles des liaisons qui maintiennent ensemble les atomes d’une molécule. Un échantillon à imager est bombardé de lumière, en l’occurrence de lumière infrarouge. Ce bombardement fait vibrer les liaisons des molécules du matériau de telle manière que leur type peut être identifié. Les vibrations d’une triple liaison « sonneront » différemment des vibrations d’une simple liaison et des vibrations d’un carbone. atome lié à un autre atome de carbone sonnera différemment des vibrations d’un atome de carbone lié à un atome d’azote, par exemple. Ce n’est pas sans rappeler la façon dont un guitariste qualifié serait capable de savoir quelle corde d’une guitare a été pincée et de quel matériau elle est fabriquée simplement en écoutant le son qu’elle produit.

Lu Wei, professeur adjoint de chimie et chercheur à l’Heritage Medical Research Institute. Crédit : Caltech

Combiner les forces

Wei dit que la microscopie à fluorescence permet aux chercheurs d’observer des molécules uniques, mais elle ne fournit pas d’informations chimiques riches. D’un autre côté, la microscopie vibrationnelle fournit ces riches informations chimiques, mais ne fonctionne que lorsque la molécule photographiée est présente en grande quantité.

BonFIRE contourne ces limitations en couplant les vibrations à la fluorescence, combinant ainsi efficacement les atouts des deux techniques. Le processus fonctionne comme ceci : l’échantillon est d’abord coloré avec un colorant fluorescent qui se lie aux molécules destinées à être imagées. L’échantillon est ensuite bombardé par une impulsion de lumière infrarouge, dont la fréquence est réglée pour exciter une liaison spécifique trouvée dans ce colorant. Une fois que le lien est excité par un seul photon de cette lumière, une deuxième impulsion de lumière d’énergie plus élevée l’éclaire et l’excite à émettre une fluorescence avec une lueur qui peut être détectée au microscope. De cette façon, le microscope peut imager des cellules entières ou des molécules uniques.

Perspectives d’avenir

«Nous sommes fascinés par ce processus de spectroscopie et sommes ravis de le transformer en un nouvel outil de bioimagerie moderne», déclare Haomin Wang, co-auteur de l’étude et chercheur postdoctoral associé en chimie. « Au cours des trois dernières années, nous avons entrepris une aventure pour construire notre microscope BonFIRE personnalisé et acquérir une compréhension plus approfondie de ce processus spectroscopique, ce qui nous a encore aidé à optimiser chaque composant de notre configuration pour atteindre les performances actuelles.

Dans leur article, les scientifiques démontrent également la capacité de marquer les biomolécules avec des « couleurs », permettant de les différencier les unes des autres. Cela se fait en utilisant plusieurs isotopes des atomes qui composent la molécule de colorant. (Les isotopes sont des formes d’un élément avec des poids atomiques différents parce que leurs noyaux contiennent plus ou moins de neutrons). La fréquence à laquelle leurs liaisons vibrent change avec l’augmentation ou la diminution de la masse des atomes.

« Contrairement à la microscopie à fluorescence conventionnelle, qui ne peut distinguer qu’une poignée de couleurs à la fois, BonFIRE utilise la lumière infrarouge pour exciter différentes liaisons chimiques et produit un arc-en-ciel de couleurs vibratoires », explique Wei. « Vous pouvez étiqueter et imager plusieurs cibles différentes à partir du même échantillon à la fois et révéler la diversité moléculaire de la vie avec des détails époustouflants. Nous espérons pouvoir démontrer la capacité d’imagerie avec des dizaines de couleurs dans des cellules vivantes dans un avenir proche.

Les co-auteurs supplémentaires sont les étudiants diplômés en chimie Yulu Cao, Xiaotian Bi, Jiajun Du et Kun Miao.

Le financement de la recherche a été assuré par le Instituts nationaux de la santé et la Fondation Alfred P. Sloan.