Description du projet
La résolution sans précédent d’un nanomètre révolutionne la nanoscopie optique
Depuis l’invention du premier microscope optique à la fin des années 1500, les technologies exploitant l’interaction entre la lumière et la matière ont permis d’obtenir un aperçu de plus en plus détaillé de la structure et de la fonction des matériaux, qu’ils soient vivants ou non. La nanoscopie optique, qui a reçu le prix Nobel de chimie en 2014 pour avoir dépassé la limite de résolution optique scientifique présumée, s’apparente désormais à une boîte à outils de techniques permettant d’observer des objets à l’échelle du nanomètre dans leur environnement naturel. Le projet OptnanoATcryo, financé par le Conseil européen de la recherche, contribuera à franchir une nouvelle étape en augmentant considérablement la densité de marquage et le nombre de photons collectés à partir d’émetteurs fluorescents uniques. Grâce au contrôle de la fluorescence à des températures cryogéniques et à de nouveaux schémas de reconstruction à super-résolution, la technique permettra d’obtenir une résolution 3D sans précédent d’un nanomètre.
Objectif
Optical nanoscopy is a powerful technique used in biology to study subcellular structures and function via specifically targeted fluorescent labels. Localization microscopy in particular offers a much better resolution (~10-50 nm) than conventional microscopy (~250 nm) while being relatively undemanding on the experimental setup and the subsequent image analysis. The next revolution in imaging to 1 nm isotropic resolution in 3D must realize a big increase in the number of collected photons from single fluorescent emitters as well as in the labelling density. Only then can subcellular structures be imaged at the molecular level to study the molecular machinery of the cell. Notably observations of DNA conformation in 3D at such resolutions would be spectacular and enable investigation of biophysical models ranging from chromosomal DNA packaging to gene regulation.
I propose a new imaging technique based on fluorescence control at cryogenic temperatures in combination with novel data driven super-resolution reconstruction schemes employing prior knowledge that promises this unprecedented optical far-field resolution. I introduce a twofold technical leap by i) much higher photon counts due to negligible photobleaching at cryogenic temperatures while maintaining the sparsity required for single emitter localization and ii) relaxing the required labelling density using a priori information and the averaging of many identical entities. Orientational blinking ensures single emitter localization via a combination of polarization sensitive excitation, detection and stimulated depletion and triplet state shelving.
Biophysical models of cell structures and data driven priors mean that fewer samples are needed to fully describe a structure.
In a larger perspective, the outcome of this research will enable the combination of structural cryo-electron microscopy imaging at subnanometer resolutions with functional fluorescent imaging at the nanometer scale.
Champ scientifique
Programme(s)
Régime de financement
ERC-COG - Consolidator GrantInstitution d’accueil
2628 CN Delft
Pays-Bas