Prix Nobel de chimie 2014 pour ceux qui ont converti la microscopie en nanoscopie

2014/10/08 Carton Virto, Eider - Elhuyar Zientzia Iturria: Elhuyar aldizkaria

Eric Betzig et William E. Moerners américains et Stefan W. L'Académie royale suédoise a récompensé l'Allemand d'origine roumaine Hell, et pour eux sera le prix Nobel de chimie 2014 pour avoir dépassé la limite insurmontable pour le microscope optique: la moitié de la longueur d'onde de la lumière était, supposément, la plus grande résolution possible avec le microconate optique. Les trois lauréats, avec l'aide de molécules fluorescentes, ont converti la microscopie en nanoscopie et ont dévoilé le monde des molécules individuelles.
Eric Betzig, Stefan W. Hell et William E. Moerner. Ed. Howard Huges Medical Institute / B. Schuller CC BY S.A. 3.0 / Kevin Lowder CC BY S.A. 3.0

0,2 micromètres. En 1873, Ernst Abbe a mis la limite de la plus petite structure que l'on pouvait voir avec le microscope. C'était une limite physique conditionnée par la longueur d'onde de la lumière. Cela permettait de voir des cellules, mais pas des molécules beaucoup plus petites que celles-ci, comme les protéines. Selon la Royal Academy suédoise, le travail des trois chercheurs récompensés a donné une «solution intelligente» à la frontière et, depuis lors, il n’existe pas de structure trop petite.

Les molécules fluorescentes sont l'outil de cette solution ingénieuse et, deux, les principes qui les soutiennent. La première, appelée microscopie STED, a été développée par Stefan Hell. L'autre est la contribution d'Eric Betzigen et de William Moerner. Les trois primés pour développer une microcopie en fluorescence haute définition.

Nanolinterne de Hell

À l'Université de Turbo (Finlande), Stefan Hell a eu l'idée de prix Nobel quand il travaillait au microscope à fluorescence. Dans le microscope à fluorescence, on utilise des molécules fluorescentes qui sont associées à des molécules spécifiques de la cellule; les molécules fluorescentes, en s'excitant à la lumière, émettent de la lumière, de sorte que les chercheurs sont capables de localiser les molécules qu'ils veulent voir. Mais alors la résolution de la technique était trop faible, par exemple, pour séparer les filaments d'ADN. Pour obtenir une meilleure définition, Hell a proposé que l'émission excitée puisse être utilisée.

Grâce à l'émission excitée, les scientifiques sont en mesure d'éteindre les molécules fluorescentes à leur goût, en utilisant un faisceau laser. Un microscope STED fonctionne comme : un laser excite toutes les molécules fluorescentes de l'échantillon et un autre les éteint toutes, sauf celles qui se trouvent dans une zone nanométrique du centre de l'échantillon. Le signal est enregistré et le processus est répété dans une autre zone de l'échantillon. Ainsi, l'échantillon entier est recouvert de nanomètres, obtenant une image haute résolution.

Helle a présenté l'idée en 1994 et lui a donné un travail de six ans plus le développement du microscope STED, le premier résultat a été une image d'une bactérie E. coli. Il a triplé la résolution du microscope optique conventionnel.

A gauche la bactérie E. coli, vue avec microscope simple. À droite, vue avec le microscope STED. Ed. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 97: 8206–8210.

Moerner et Betzig, essayant d'allumer et d'éteindre les molécules séparément

Comme Hell, Betzig et Moerner se sont tournés vers les molécules fluorescentes pour dépasser la limite de l'abbé. Les deux ont développé séparément les bases de la microscopie monomoléculaire, construite par Betzig sur le travail de Moerner.

La méthode est basée sur des protéines fluorescentes qui peuvent être allumées et éteintes à la carte. Cette méthode consiste à éclairer plusieurs fois un même champ et à exciter un petit nombre de molécules fluorescentes, de sorte que, après le processus se répétant à plusieurs reprises, toutes les images reçues sont regroupées en une seule image en obtenant une image haute résolution.

Une des premières images de Betzig avec la microscopie monomoléculaire. À gauche, un lysosome vu par microscope optique. Sur la droite, image haute définition. Ed. Science 313:1642–1645

La première image obtenue par cette méthode a été présentée en 2006 par Betzig, un lysosome. Mais le travail des deux a été indispensable. En fait, Moerner a été le premier chercheur à mesurer la fluorescence d'une molécule unique et déterminée en 1989. Il a également découvert la variante de la protéine fluorescente GFP qui peut s'allumer et s'éteindre librement à travers la lumière. En résumé, Moerner a découvert que la fluorescence des molécules individuelles peut être contrôlée optiquement et Betzig l'a transformée en image.