La microscopie intelligente éclaire l’organisation des cellules
L’intérieur des cellules eucaryotes contient des structures appelées organites(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre), spécialisées dans diverses fonctions vitales telles que la production d’énergie (mitochondries) et le stockage du matériel génétique (noyau). Les cellules sont tellement encombrées que les molécules qu’elles contiennent, comme les protéines et les acides nucléiques, se heurtent régulièrement, ce qui a inspiré le projet Piko, financé par le Conseil européen de la recherche(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre). Suliana Manley(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre), coordinatrice du projet, explique: «Nous voulions comprendre comment l’encombrement pouvait affecter les processus dynamiques, à l’image d’une circulation routière trop dense qui crée des goulets d’étranglement et ralentit tout». Piko s’est particulièrement intéressé aux parallèles entre les mitochondries et les bactéries, les mitochondries ayant évolué à partir des bactéries et chacune ayant conservé son propre ADN. L’équipe a étudié l’impact de l’encombrement sur l’organisation de l’ADN lors de sa réplication (copie) et de sa ségrégation (séparation), à la fois chez les bactéries et dans les mitochondries. «Bien que plus simples que les cellules humaines, les bactéries peuvent mieux survivre à des conditions difficiles, vivant généralement dans un état quiescent ou de faible activité, pour supporter des périodes de famine», explique Suliana Manley. «Le comportement complexe du cytoplasme bactérien est essentiel à leur survie, mais son influence sur des processus tels que l’organisation de l’ADN reste mal comprise.»
La microscopie intelligente ouvre la voie à des découvertes biologiques plus douces
Pour comprendre l’organisation et la dynamique de l’intérieur des bactéries et des mitochondries dans les cellules vivantes, l’équipe a dû relever d’importants défis d’imagerie. Tout d’abord, avec un petit nombre de molécules impliquées, la détection de signaux révélateurs se révèle délicate. Deuxièmement, ces processus sont transitoires et ne se produisent que pendant une brève période du cycle cellulaire. Troisièmement, les caractéristiques intéressantes sont souvent trop petites pour être détectées par la microscopie optique classique. «Les cellules et les mitochondries sont sensibles à la lumière, et nous devions éviter de perturber leur fonctionnement pendant l’observation», ajoute Suliana Manley. Le projet a adapté différentes formes de microscopie nécessitant moins de lumière, en faisant progresser trois axes: la microscopie intelligente, la super-résolution par photométrie de masse et la cartographie multiparamétrique d’objets par nanoscopie optique (MOON). Alors que les deux dernières approches restent au stade de la preuve de concept, Piko a considérablement développé la microscopie intelligente, proposant des formes plus douces de microscopie pour la découverte biologique. L’équipe a également entraîné un réseau neuronal à reconnaître certaines formes de mitochondries qui ont déclenché l’acquisition d’image. «Nous avons surveillé la dynamique cellulaire à l’aide d’une lumière blanche de faible intensité, en n’activant la fluorescence que lorsque le réseau neuronal détecte une constriction mitochondriale. Nous avons également eu recours à la microscopie de super-résolution à forte intensité lumineuse pour suivre l’activité sur de longs intervalles de temps, en déclenchant des acquisitions brèves lorsque la constriction commence», souligne Suliana Manley. Des simulations ont permis d’identifier des schémas en comparant l’organisation du cytoplasme bactérien ou de la matrice mitochondriale à des modèles aléatoires. Chez les bactéries, l’organisation de l’ADN a montré des implications directes sur la dynamique du replisome(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre), la machine multiprotéique qui réplique l’ADN. Dans les mitochondries, des schémas géométriques et moléculaires de division ont été identifiés, qui déterminent des destins distincts des organites. Par exemple, une division médiane favorise la prolifération, tandis qu’une division à l’extrémité conduit à la dégradation. L’équipe a également découvert comment les mitochondries distribuent leur ADN, en transformant l’organite normalement tubulaire en une structure en collier de perles.
Retombées plus larges pour la recherche en santé
Avec l’adoption croissante de la microscopie intelligente pour un large éventail d’applications, telles que l’étude des infections, les avancées de Piko pourraient avoir un impact majeur. Et les mitochondries jouant de nombreux rôles importants dans la santé et les maladies humaines, les chercheurs utilisent déjà les résultats du projet pour comprendre un large spectre de pathologies, notamment la neurodégénérescence et le cancer. En attendant: «Certains des schémas que nous avons identifiés restent mal compris, tant dans leur formation que dans leurs interactions, et j’aimerais vraiment pouvoir les comprendre», confie Suliana Manley. «Nous cherchons également à mieux comprendre comment les mitochondries se coordonnent avec d’autres organites, ou entre elles, au sein des cellules, afin de déterminer les fonctions qu’elles assurent, et à quel moment.»
