Les scientifiques ouvrent de nouveaux horizons pour la microscopie cryogénique

7 juin 2023

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by Sandrine Perroud, Ecole Polytechnique Federale de Lausanne

Des scientifiques de l'EPFL ont développé un nouvel instrument de recherche pour observer des échantillons de tissus biologiques préparés selon une méthode découverte il y a une quarantaine d'années par le prix Nobel Jacques Dubochet, professeur émérite à l'Université de Lausanne. Leur instrument, unique au monde, ouvre de nouvelles voies de recherche prometteuses.

Il a fallu au professeur Anders Meibom et à son groupe de recherche près de 10 ans et plusieurs prototypes avant de finalement le réaliser. Ils ont maintenant réussi à améliorer une méthode d'analyse connue sous le nom de spectrométrie de masse à ions secondaires à l'échelle nanométrique (NanoSIMS) en construisant une machine CryoNanoSIMS, un instrument capable d'analyser la composition chimique et isotopique d'échantillons de tissus vitrifiés.

Le procédé de préparation des échantillons qu'ils ont utilisé a été développé dans les années 1980 par le célèbre biophysicien vaudois Jacques Dubochet, qui a remporté le prix Nobel de chimie 2017 pour cette percée. Ce processus, qui constitue la base de la microscopie électronique cryogénique moderne, préserve tous les constituants d'un échantillon biologique dans leur état post-mortem le plus parfait. La machine CryoNanoSIMS du groupe de recherche et ses avantages potentiels sont décrits dans un article publié dans BMC Biology.

"Nous sommes désormais en mesure de générer des images de l'endroit précis où, dans un échantillon de cellules ou de tissus, un nutriment spécifique est stocké ou utilisé, ou de l'endroit où un médicament donné entre ou n'entre pas. Il n'y a pas d'autre moyen d'obtenir ces informations", explique Meibom. , qui dirige le Laboratoire de géochimie biologique de la Faculté de génie architectural, civil et environnemental de l'EPFL et qui est également professeur à l'Université de Lausanne (UNIL).

Avec la machine CryoNanoSIMS, les scientifiques peuvent prélever des échantillons de tissus biologiques préparés cryogéniquement - dans lesquels aucune molécule n'a été perdue ou même déplacée - et observer directement la distribution sous-cellulaire exacte des composés essentiels pour le traitement des infections bactériennes et du cancer, par exemple. Les scientifiques peuvent également utiliser la machine pour visualiser la distribution des oligo-éléments dans les tissus végétaux, ce qui est d'une importance cruciale pour améliorer la croissance des plantes et la production agricole et tracer les contaminants environnementaux dans le sol et les biofilms. Et tout cela peut être fait à une résolution spatiale sub-cellulaire. "Notre instrument CryoNanoSIMS crée des opportunités de recherche entièrement nouvelles", déclare Meibom.

"Dans mon laboratoire, nous sommes en plein développement d'un programme de recherche intense autour de cette capacité unique." Le laboratoire CryoNanoSIMS de Meibom est hébergé à l'UNIL, où il fait partie du Center for Advanced Surface Analysis, un consortium de laboratoires de l'UNIL et de l'EPFL qui utilisent des équipements de pointe pour effectuer des analyses de surface élémentaires et isotopiques pour une large gamme de sujets de recherche allant de la géologie à la biologie. Commentant le nouvel instrument, Dubochet le présente comme "une expansion importante du domaine de la chimie biologique".

La technologie NanoSIMS a déjà révolutionné le domaine de l'imagerie lors de son introduction il y a une vingtaine d'années. Il consiste à diriger un faisceau d'ions sur un échantillon et produit des images avec une résolution de 100 nm. Mais les méthodes de préparation d'échantillons associées entraînent toutes un certain degré de distorsion de la morphologie des tissus et de perte de composés solubles. Pour surmonter ces obstacles, Meibom et son équipe ont développé un procédé cryogénique de préparation d'échantillons et ajouté de nouveaux composants physiques, dont un réservoir d'azote liquide, à une machine NanoSIMS afin qu'elle puisse accueillir des échantillons cryogéniques.

"Il était extrêmement difficile de transformer un instrument qui fonctionne à température ambiante en un instrument capable d'analyser des échantillons de tissus congelés tout en gardant l'échantillon froid et stable pendant des heures et des heures. Mais nous avons réussi et pouvons maintenant obtenir des informations entièrement nouvelles", déclare Meibom. "Rien de tout cela n'aurait été possible sans les compétences en ingénierie mécanique des ateliers de l'EPFL et des entreprises suisses avec lesquelles nous avons travaillé pour atteindre le degré de précision requis pour des pièces spécifiques."

Les auteurs de l'étude ont testé leur méthode CryoNanoSIMS sur des échantillons d'hydre verte, un petit animal qui vit dans les étangs et lacs d'eau douce, y compris en Suisse. Avec le CryoNanoSIMS, ils ont pu observer directement comment cet animal absorbe et assimile l'ammonium, un nutriment clé pour de nombreux organismes aquatiques.

La prochaine étape consistera à appliquer la méthode aux coraux - un autre domaine d'expertise du laboratoire de Meibom - afin que les scientifiques puissent étudier les mécanismes de symbiose entre les algues et les coraux et déterminer les facteurs qui conduisent au blanchissement et à la mort des coraux.

Plus d'information: Anders Meibom et al, Imagerie cryo-SEM et CryoNanoSIMS corrélée de tissus biologiques, BMC Biology (2023). DOI : 10.1186/s12915-023-01623-0

Informations sur la revue :BMC Biologie

Provided by Ecole Polytechnique Federale de Lausanne