Une méthode simple à base de mica permet d’améliorer la précision et la profondeur du suivi des particules individuelles sans nécessiter de matériel complexe.
Une méthode d’imagerie tridimensionnelle utilise des substrats biréfringents (qui ont des indices de réfraction différents selon les axes cristallins) pour améliorer la précision et la profondeur du suivi des particules individuelles, éliminant ainsi le besoin de matériel high-tech. Développée par KAUST, cette méthode conviviale est compatible avec un microscope à fluorescence standard et facilite la visualisation des mouvements moléculaires dans des environnements complexes. Elle constitue un outil de recherche potentiel pour les utilisateurs lambda.
Le suivi tridimensionnel de particules individuelles permet de caractériser directement le mouvement moléculaire dans des environnements complexes. En sciences de la vie, il fournit des informations cruciales sur le mouvement et le comportement associé des molécules et complexes biologiques dans les cellules. Cela inclut l’absorption cellulaire des virus et l’hybridation de l’ADN.
La plupart des méthodes de suivi déterminent les coordonnées spatiales de particules individuelles en créant un motif unique, appelé fonction d’étalement ponctuel (PSF). Celui-ci représente ce que le microscope « voit » pour un seul point lumineux, ce qui nécessite de placer des outils supplémentaires, tels que des modulateurs spatiaux de lumière, dans le chemin de détection du microscope. Cela crée différents motifs en fonction de la position axiale ou de la profondeur des particules, révélant ainsi leur emplacement.
« Cette méthode est très utile, mais elle nécessite des connaissances spécialisées et un microscope sophistiqué et sur mesure », indique le chercheur principal Satoshi Habuchi.
Aujourd’hui, une équipe dirigée par Satoshi Habuchi et Shuho Nozue a mis au point une méthode de suivi pratique qui utilise des plaques de mica comme substrats. Cette méthode ne nécessite pas de microscope sur mesure ; au lieu de cela, les substrats biréfringents modifient la façon dont la lumière se propage, générant des motifs dépendants de la position axiale.
Une évaluation des performances des substrats a montré que les nanoparticules fluorescentes supportées par le mica produisaient des motifs distincts et non concentriques qui changeaient en fonction de leur position axiale. La méthode a donné de bons résultats, atteignant une portée de suivi axial maximale de 30 micromètres avec une précision de localisation supérieure à 30 nanomètres, surpassant les techniques de suivi conventionnelles.
« Nous savions que les substrats en mica pouvaient déformer le PSF en raison de leur biréfringence, mais nous ne savions pas si cette déformation pouvait être utilisée pour l’ingénierie du PSF », ajoute M. Habuchi. « Nous avons été surpris par la grande portée du suivi. »
Les simulations réalisées par un groupe dirigé par leur collègue Ying Wu correspondaient parfaitement au PSF dépendant de la position axiale observé, confirmant le rôle de la biréfringence dans la déformation du PSF.
Les variations d’épaisseur du substrat ont également modifié les motifs en affectant la portée axiale. Un substrat plus épais a conduit à une PSF dépendante de la position axiale sur une plus grande portée axiale, ce qui a entraîné une plus grande portée de suivi axial, et vice versa.
Habuchi explique que, selon les exigences de l’expérience de suivi, cela permet aux utilisateurs de choisir des substrats en mica de différentes épaisseurs qui présentent une portée de suivi axial correspondant à l’épaisseur de l’échantillon.
Les chercheurs ont démontré que leur méthode permettait de localiser et de suivre des nanoparticules dans des cellules vivantes sur une plage axiale de plus de 20 micromètres. Ils ont clairement capturé la trajectoire tridimensionnelle d’une nanoparticule individuelle et localisé plusieurs nanoparticules dans des cellules végétales, qui sont beaucoup plus grandes et plus difficiles à examiner par microscopie à fluorescence que les cellules animales.
Cela suggère que la nouvelle méthode peut fournir des informations sur la dynamique spatio-temporelle des molécules cibles et l’acheminement de matériaux externes, tels que les matériaux génétiques pour l’édition du génome, dans les cellules végétales, ainsi que sur le mouvement dans les systèmes multicellulaires, tels que les tissus biologiques.
L’équipe s’efforce actuellement d’identifier des matériaux biréfringents plus performants que le mica, de rationaliser le processus de traitement des images à l’aide de l’apprentissage profond et d’étendre les capacités de la méthode à des orientations tridimensionnelles.
Nozue, S., Ali, R., Wu, Y. & Habuchi, S. Long axial range 3D single-particle tracking using birefringent substrates. Nature Communications 16, 6728 (2025).| DOI :10.1038/s41467-025-61953-1.
Source : Kaust
