Voir ce que l'œil nu ne peut pas voir – 4 lectures essentielles sur la façon dont les scientifiques mettent le monde microscopique en évidence

Rédacteur associé en santé et biomédecine

Professeur et directeur du programme de neurosciences, Northern Kentucky University

Professeur de biologie computationnelle et systémique, vice-chancelier principal associé pour la stratégie et la planification scientifiques, Université de Pittsburgh

Responsable du programme scientifique aux Gladstone Institutes, Université de Californie, San Francisco

Professeur agrégé de sciences neuronales et comportementales, Penn State

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Le microscope est un symbole emblématique des sciences de la vie – et pour cause. De la découverte de l’existence des cellules à la structure de l’ADN, la microscopie est un outil essentiel dans ce domaine, ouvrant de nouvelles dimensions du monde vivant non seulement aux scientifiques mais également au grand public.

Pour les sciences de la vie, où comprendre la fonction d’un être vivant nécessite souvent d’interpréter sa forme, l’imagerie est essentielle pour confirmer les théories et révéler ce qui reste inconnu.

Cette sélection d'histoires tirées des archives de The Conversation présente quelques façons dont la microscopie a contribué à différentes formes de connaissances scientifiques, y compris des techniques qui éloignent complètement la visualisation de la vue.

Au cours des derniers siècles, le microscope a connu une évolution progressive mais significative. Chaque avancée a permis aux chercheurs d’observer des structures et des biomolécules de plus en plus petites et fragiles avec une résolution de plus en plus élevée – des cellules aux structures à l’intérieur des cellules, en passant par les structures à l’intérieur des structures à l’intérieur des cellules, jusqu’aux atomes.

Mais il existe toujours un écart de résolution entre les structures les plus petites et les plus grandes de la cellule. Le biophysicien Jeremy Berg a fait une analogie avec Google Maps : même si les scientifiques pouvaient voir la ville dans son ensemble et les maisons individuelles, ils ne pouvaient pas distinguer les quartiers.

« Voir ces détails au niveau du quartier est essentiel pour pouvoir comprendre comment les composants individuels fonctionnent ensemble dans l'environnement d'une cellule », écrit-il.

Les scientifiques s’efforcent de combler cet écart de résolution. Les améliorations apportées à la microscopie à superrésolution lauréate du prix Nobel 2014, par exemple, ont amélioré l'étude de processus longs tels que la division cellulaire en capturant simultanément des images sur une gamme de tailles et d'échelles de temps, apportant ainsi de la clarté aux détails que les microscopes traditionnels ont tendance à flouter.

Une autre technique, la cryo-microscopie électronique, ou cryo-EM, a remporté un prix Nobel en 2017 pour avoir mis en évidence des molécules dynamiques encore plus complexes en les gelant instantanément. Cela crée une coque protectrice semblable à du verre autour des échantillons alors qu'ils sont bombardés par un faisceau d'électrons pour créer leur séance photo. Cryo-ET, un type spécialisé de cryo-EM, peut construire des images 3D de structures moléculaires dans leur environnement naturel.

Ces techniques génèrent non seulement des images à une résolution atomique ou proche, mais préservent également la forme naturelle des biomolécules d’intérêt difficiles à capturer. Les chercheurs ont pu utiliser la cryo-EM, par exemple, pour capturer la structure insaisissable de la protéine à la surface du virus changeant de forme de l’hépatite C, fournissant ainsi des informations clés pour un futur vaccin.

De nouvelles améliorations de l'acuité visuelle scientifique révéleront davantage de détails subtils sur les éléments constitutifs de la vie.

«Je m'attends à voir de nouvelles théories sur la façon dont nous comprenons les cellules, passant de sacs de molécules désorganisés à des systèmes complexement organisés et dynamiques», écrit Berg.

Lire la suite : Visualiser l’intérieur des cellules à des résolutions auparavant impossibles fournit un aperçu saisissant de leur fonctionnement

Les images microscopiques sont souvent présentées comme des instantanés – des parties circonscrites d’un tout qui ont été agrandies pour révéler leurs caractéristiques cachées. Mais rien dans un organisme ne fonctionne de manière isolée. Après avoir discerné les composants individuels, les scientifiques sont chargés de cartographier la manière dont ils interagissent les uns avec les autres dans le macrosystème du corps. Pour comprendre cela, il faut non seulement identifier chaque composant qui constitue une cellule, un tissu ou un organe particulier, mais également les placer les uns par rapport aux autres – en d’autres termes, dresser une carte.