Une nouvelle microscopie pionnière basée sur des microsystèmes cryogéniques
Les microscopes modernes peuvent rendre visibles des structures tridimensionnelles complexes de cellules et même de molécules avec une clarté et des détails stupéfiants. Cependant, il est souvent impossible de suivre la dynamique en temps réel lorsque les choses changent ou évoluent rapidement. «En outre, certaines méthodes, comme la microscopie électronique, ne fonctionnent que sous vide», explique Thomas Burg, chercheur du projet MICROCRYO(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre) à l’université technique de Darmstadt(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre) en Allemagne. «Cela signifie qu’ils ne peuvent être utilisés qu’après la fixation des échantillons, ce qui rend difficile l’étude de séquences d’événements complexes.» Une solution à ce problème consiste à congeler l’objet. Pour ce faire, il faut éviter que l’eau contenue dans les cellules ne forme des cristaux de glace lors du refroidissement, afin de ne pas endommager les structures délicates. «Les méthodes existantes pour y parvenir présentent toutes des lacunes importantes», poursuit Thomas Burg. «Une fois que les cellules ont été congelées ou vitrifiées, un autre défi consiste à adapter différents microscopes avancés pour qu’ils soient compatibles avec un objet dont la température avoisine les -200 °C, sans compromettre les performances.»
Plate-forme de microscopie basée sur la microfluidique
Le projet MICROCRYO, soutenu par le Conseil européen de la recherche(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre), a cherché à relever ces défis. L’objectif était de développer une nouvelle plateforme technologique basée sur la microfluidique (c’est-à-dire la manipulation et le contrôle des fluides à l’échelle microscopique), afin de préparer et d’imager des cellules et des petits micro-organismes congelés ultra-rapidement à des températures cryogéniques. Cela permettrait alors de réaliser des expériences entièrement nouvelles pour observer avec des détails moléculaires, par exemple, comment les cellules immunitaires s’activent, comment les médicaments peuvent être délivrés plus efficacement ou comment les cellules sanguines deviennent moins flexibles dans certaines maladies. «L’innovation clé de ce projet a consisté à créer des microenvironnements submillimétriques, dans lesquels les températures peuvent être contrôlées rapidement et précisément depuis des conditions cryogéniques jusqu’à la température ambiante», explique Thomas Burg. «Cela a été rendu possible par la technologie des microsystèmes, la même technologie utilisée pour construire de nombreux types de capteurs que l’on trouve couramment dans les produits de consommation (par exemple, presque tous les téléphones portables, les voitures, etc.).»
Avantages de la microscopie optique et de la microscopie électronique
Thomas Burg et son équipe ont réussi à protéger l’échantillon et à maintenir une forte différence de température entre l’objet et son environnement, tout en ne nécessitant qu’une très faible puissance de chauffage et de refroidissement. La microscopie optique et électronique avancée a été utilisée pour analyser les échantillons avec une haute résolution avant, pendant et après la congélation ultra-rapide. L’équipe du projet a pu établir une plateforme qui permet d’améliorer - et dans certains cas - de créer des flux de travail entièrement nouveaux pour étudier les systèmes biologiques et non biologiques à l’échelle du micromètre et du nanomètre, avec différentes techniques de microscopie normalement incompatibles. «L’un des défis de longue date que ce projet a relevé est de permettre des modes avancés de microscopie optique, tels que la STED, en immersion à une température cryogénique», déclare Thomas Burg. «En outre, cette technologie peut être intégrée dans des flux de travail combinant la microscopie optique et la microscopie électronique. Cela permet d’utiliser les avantages de la microscopie optique et de la microscopie électronique et de fournir des informations complémentaires sur les objets.»
Outil pour l’étude d’objets complexes et dynamiques
La nouvelle plateforme technologique aidera les chercheurs dans leurs recherches dans de nombreux domaines. La microscopie à température cryogénique est un outil puissant pour étudier des matériaux complexes, dynamiques et sensibles utilisés en biologie synthétique, en pharmacologie et même dans les nouvelles technologies de batteries avancées. «Nous pensons que la nouvelle plateforme permettra de révéler les détails de ces matériaux, leur structure naturelle, les mécanismes pathologiques ou les défauts, ainsi que les moyens de les prévenir, en améliorant la conservation et l’imagerie avec une grande fidélité à une température cryogénique», ajoute Thomas Burg.
