Microscopie Super-résolue modulée : organisation moléculaire des cellules à l’échelle nanométrique – MSM

Les microscopies optiques super-résolues, couronnées par le prix Nobel 2014, représentent une véritable révolution en biologie. Leurs sensibilités ultimes, permettant le suivi de molécules uniques, ainsi que leur résolution nanométrique dévoilent, pour la première fois, l’organisation et les mécanismes intracellulaires au niveau moléculaire.
L’objectif de ce projet est d’introduire un nouveau concept en microscopie optique super-résolue. La Microscopie Super-résolue Modulée (MSM) représente une approche radicalement nouvelle pour coder une information provenant d’émetteurs individuels. Cette information modulée est extraite par une détection homodyne multiplexée originale tirant pleinement profit des spécificités liées à la microscopie super-résolue, en particulier la distribution clairsemée des émetteurs. La MSM apporte ainsi l’ensemble des avantages de la détection homodyne en microscopie super-résolue. Or ces avantages sont particulièrement pertinents notamment en termes d’insensibilité aux fluctuations lumineuses et de gain de rapport signal/bruit. De plus, le concept étant générique, il est décliné dans le projet pour repousser les limites des techniques actuelles, notamment en termes de résolution ou de dynamique, et pour réaliser de nouvelles fonctionnalités comme la microscopie orientationnelle à l’échelle de la molécule individuelle.
En MSM, la modulation spatiale de l’excitation lumineuse permet de coder la position transverse des émetteurs. Les modèles développés permettent d’espérer un gain de localisation d’un ordre de grandeur par rapport aux techniques standard (centroïdes). Les expériences préliminaires sont extrêmement encourageantes, montrant déjà des localisations record de l’ordre du nanomètre.
La résolution axiale, permettant d’accéder à une imagerie 3D, représente toujours à l’heure actuelle un enjeu crucial en microscopie super-résolue requérant des techniques additionnelles complexes. Ce projet propose une solution originale en MSM pour coder cette information basée sur l’utilisation de franges d’interférence inclinées. Cette modalité peut être implémentée simplement sur un microscope 2D super-résolu standard. Il devrait offrir une iso-résolution 3D sans altérer la résolution latérale. De plus, la détection homodyne étant peu sensible aux aberrations induites par la traversée du milieu biologique, la dynamique de cette technique devrait être bien plus grande que celle associée aux techniques standards.
Accéder à une imagerie de l’environnement local ou de l’orientation à l’échelle de chaque molécule individuelle à l’intérieur d’une cellule représenterait une véritable révolution en biologie en permettant d’aller au-delà de mesures statistiques moyennées. Or, malgré les efforts de nombreuses équipes de recherche dans ce domaine, ceci demeure très difficile, voire impossible. La MSM permet d’accéder à ces informations en codant la polarisation ou la durée de vie de fluorescence. Compatible avec les microscopies de super-résolution standard, sans en dégrader les performances, ce codage utilise l’ensemble des photons émis pour extraire l’information d’une molécule unique. La variabilité inter-moléculaire devient une nouvelle source d’information extraordinaire pour la compréhension des mécanismes cellulaires.
Ce projet veut également démontrer les performances et l’intérêt de la MSM en répondant à des questions biologiques majeures. Les microtubules représentent un objet de référence pour la microscopie super-résolue mais au-delà, il apparaît depuis peu que l’architecture nanométrique fine du cytosquelette détermine en partie sa dynamique et donc impacte activité, polarisation et migration cellulaires, qui sont altérées dans les cellules cancéreuses et sont la cible du traitement par les agents anti-mitotiques. Différentes implémentations de la MSM permettront de les réveler dans ce projet.
La technologie au cœur de ce projet est brevetée et la valorisation sera une préoccupation constante du consortium.