Dans une réalisation majeure de l’imagerie biologique, des chercheurs de l’Université de Californie à Berkeley et de Biohub ont annoncé aujourd’hui la démonstration réussie de la plaque de phase laser, un dispositif novateur qui améliore considérablement le contraste des images produites par les cryo-microscopes électroniques, ouvrant une toute nouvelle perspective sur la biologie humaine.
La cryo-microscopie électronique (cryo-EM) est elle-même une technologie révolutionnaire, couronnée par le prix Nobel, devenue la colonne vertébrale de la biologie structurale, ayant révélé l’architecture atomique de nombreuses machines moléculaires qui pilotent presque tous les processus cellulaires. Mais la technique a été entravée par l’incapacité de générer suffisamment de contraste pour imager clairement les petites molécules — plus de 90 % des protéines présentes dans les cellules humaines sont trop petites pour que la cryo-EM les capture clairement.
S’appuyant sur des démonstrations antérieures, les scientifiques de Biohub et de UC Berkeley ont maintenant construit et intégré une plaque de phase laser, l’un des lasers les plus brillants de son type au monde, dans un cryo-microscope électronique de pointe, comme décrit dans deux nouvelles publications. Il en résulte un dispositif qui ouvrira des vues de la cellule comme jamais auparavant, permettant aux scientifiques de voir les processus et interactions qui sont à la racine de la santé et de la maladie.
« La cellule est remplie de tout ce que l’on pourrait vouloir savoir — mais nous ne pouvons pas le voir, et nous ne pouvons pas le trouver », a déclaré David Agard, directeur scientifique fondateur de l’imagerie chez Biohub. « Voir toutes ces interactions est le rêve des biologistes structuraux depuis des décennies, et nous sommes sur le point de pouvoir le voir. À mon avis, la plaque de phase laser est essentielle pour y parvenir. »
Mécanismes pathologiques potentiels et cibles thérapeutiques en vue
La plaque de phase laser a été proposée pour la première fois il y a plus de 15 ans par le physicien Holger Müller et le biophysicien Robert Glaeser, tous deux de UC Berkeley, mais on pensait depuis longtemps qu’elle était presque impossible à construire. Après des années d’efforts, ils ont réussi à obtenir un prototype fonctionnel et à démontrer son applicabilité en cryo-EM dans un microscope électronique de génération antérieure.
Aujourd’hui, les chercheurs de Biohub et de UC Berkeley ont chacun construit une plaque de phase laser, installée dans des versions personnalisées du microscope Thermo Scientific Krios, et ont démontré de fortes améliorations de contraste dans l’imagerie de petites protéines, comme rapporté dans deux articles scientifiques. L’ensemble de la cavité optique abritant la plaque de phase laser — le cœur du système — mesure moins de quatre pouces de large, nichée à l’intérieur de microscopes de 14 pieds de haut.
L’article de UC Berkeley, publié en ligne aujourd’hui dans Science, démontre que la plaque de phase laser offre une résolution plus élevée pour six échantillons biologiques de tailles et de préparations différentes. De plus, ils ont montré que plus l’échantillon est petit, plus l’amélioration est grande. Plus précisément, les auteurs montrent des images reconstruites d’une protéine musculaire appelée aldolase, relativement facile à imager avec les machines cryo-EM conventionnelles, et de l’hémoglobine — une protéine qui transporte l’oxygène dans le sang — qui se situe à la limite inférieure des machines actuelles.
« Avec la plus difficile des deux particules, l’hémoglobine, nous avons observé une forte amélioration avec le laser, mais avec la moins difficile, l’aldolase, l’amélioration est très faible, comme prévu », a déclaré Jessie Zhang, postdoctorante dans le laboratoire de Müller et co-première auteure de l’étude avec le postdoctorant Petar Petrov.
Müller, professeur de physique à UC Berkeley, a déclaré que maintenant que les avantages de la plaque de phase laser ont été clairement démontrés, il est enthousiaste quant à son potentiel pour résoudre des problèmes de bioimagerie encore plus difficiles.
« Si vous regardez toutes les protéines chez un humain, elles ont toutes des tailles variées. Et toutes ces protéines sont des mécanismes pathologiques potentiels et des cibles médicamenteuses », a déclaré Müller, auteur correspondant de l’article et également scientifique au Lawrence Berkeley National Laboratory. « Le problème est que la protéine humaine moyenne est trop petite pour être imagée par cryo-EM. La plaque de phase laser pourrait combler un énorme fossé dans notre connaissance des structures protéiques qui ne peuvent pas être traitées avec la cryo-EM actuelle. »
Müller a passé plus de 10 ans à construire un prototype fonctionnel de la plaque de phase laser. Puis, en 2021, Biohub a décidé de faire un grand pari sur la technologie et l’a soutenu par une subvention, ce qui lui a permis d’accélérer le développement, d’acheter un cryo-microscope électronique de pointe et de le personnaliser pour la plaque de phase laser.
En plus de soutenir les efforts de Müller, Biohub a fait un pari encore plus grand, en construisant une version de nouvelle génération de la plaque de phase laser avec deux fois plus de complexité, dotée d’un système laser double. Ce système est décrit dans un nouveau preprint sur biorxiv.org.
Développé au laboratoire d’imagerie de Biohub à Redwood City, en collaboration avec UC Berkeley et des partenaires industriels, le dispositif utilise deux faisceaux laser orientés perpendiculairement l’un par rapport à l’autre, chacun dans sa propre cavité et fonctionnant à environ la moitié de la puissance requise par le système à cavité unique utilisé dans le microscope de Müller. À puissance réduite, les composants sont moins susceptibles de brûler et les aberrations sont réduites, ce qui rend le système plus facile à utiliser.
Le concept d’un système laser double a été proposé pour la première fois par Müller et ses collègues de UC Berkeley il y a deux ans dans un article qui vient d’être publié la semaine dernière dans Nature Communications.
Un exploit d’ingénierie — et une longue attente
Il y a plus de dix ans, Müller et Glaeser ont proposé pour la première fois l’idée de créer un laser intense pour décaler la phase du faisceau d’électrons dans les cryo-microscopes électroniques, mais beaucoup dans le domaine considéraient un tel instrument bien trop difficile à construire.
Concrétiser la plaque de phase laser a nécessité une combinaison extraordinaire de précision, d’ingénierie avancée et d’optique laser complexe pour générer le laser à état stationnaire le plus intense jamais réalisé. À l’intérieur de la cavité, un faisceau laser est réfléchi d’avant en arrière entre deux miroirs concaves près de 10 000 fois, atteignant une intensité d’environ 350 à 400 gigawatts par centimètre carré — une énergie 100 millions de fois plus intense que la surface du Soleil, concentrée en un point d’environ 1/1000e de la largeur d’un cheveu humain.
Les miroirs qui rendent cela possible sont eux-mêmes un exploit d’ingénierie remarquable. Chaque miroir doit être poli à une « douceur atomique » — une rugosité de surface inférieure à un angstrom, soit environ le diamètre d’un atome unique.
« Les miroirs doivent être extrêmement sans perte pour éviter qu’ils ne fondent, et en fait, ils sont si sans perte qu’ils chauffent à peine, malgré le bombardement par un laser qui pourrait facilement couper des centimètres d’acier », a déclaré Müller.
La précision requise pour faire fonctionner l’instrument est tout aussi exigeante. L’angle des miroirs doit être aligné à 1/1000e de degré près pour que les lasers rebondissent efficacement. De plus, le faisceau laser et le faisceau d’électrons doivent être alignés à moins de 50 nanomètres — sur une onde stationnaire de 500 nanomètres de large — pour maximiser le contraste lors de l’acquisition des données.
« C’est comme un surfeur essayant de se maintenir parfaitement au sommet d’une vague, non pas pendant des secondes, mais pendant une demi-heure d’affilée », a déclaré Bridget Carragher, directrice technique fondatrice de l’imagerie chez Biohub. Elle et Agard sont co-responsables du groupe de biologie cellulaire structurale dynamique de Biohub et co-auteurs correspondants du preprint de Biohub, avec l’ingénieur de Biohub Pavel Olshin.
La prochaine frontière
Bien que les articles démontrent la puissance du dispositif pour imager des petites protéines individuelles, les chercheurs des deux institutions pensent que la prochaine frontière est la cryo-tomographie électronique (cryo-ET) — une variante plus récente et plus puissante de la cryo-EM qui capture les protéines non pas isolément mais dans leur environnement cellulaire naturel, révélant comment les machines moléculaires s’assemblent, interagissent et dysfonctionnent dans la maladie.
« Nous pensons que la tomographie est là où nous verrons les plus grands gains pour la biologie cellulaire », a déclaré Carragher. « Il reste du travail à faire pour maîtriser le microscope, mais nous sommes optimistes que nous effectuerons des collectes de données d’ici la fin de l’année. »
Toutes les données de tomographie de Biohub – y compris des dizaines de milliers de tomogrammes annotés – sont librement partagées avec la communauté via son portail de données CryoET, qui vise à accélérer l’ensemble du pipeline cryo-ET.
« Réaliser une expérience de biologie cellulaire avec la cryo-ET aujourd’hui peut prendre toute une carrière de postdoctorant », a déclaré Agard. « Nous devons accélérer cela, et la plaque de phase laser, ainsi qu’un meilleur traitement, le tout fonctionnant de manière transparente avec des algorithmes d’IA, nous y mènera. »
Müller espère que des microscopes équipés de plaques de phase laser seront disponibles commercialement dans les années à venir, et que les laboratoires du monde entier utiliseront régulièrement cette technologie puissante.
« Cette technologie est un changement de fonction pour la biologie », a déclaré Stephani Otte, vice-présidente de la science de l’imagerie chez Biohub. « Nous allons pouvoir voir comment les machines moléculaires fonctionnent à l’intérieur de la cellule vivante, en contexte, pour la première fois. Ce qui était autrefois invisible deviendra visible — et cela change tout notre compréhension de la maladie. »
Journal : Science – DOI : Lien vers l’étude
Source : Biohub
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