nanoscopie Raman Cohérente computationnelle – COCOhRICO

La vie est faite d'interactions moléculaires. Par conséquent, sonder les interactions des molécules à leur taille native, et dans leur environnement naturel, est le Saint Graal de la biologie. Pourtant, il est extrêmement difficile d'atteindre une résolution spatiale aussi élevée dans les systèmes biologiques vivants. À cette fin, un large répertoire de techniques de super-résolution a été mis au point au cours des dernières décennies, mais il est principalement axé sur la microscopie à fluorescence, elle-même invasive, potentiellement perturbative et, surtout, laissant ouvertes de nombreuses questions liées à la population plus importante de molécules qui ne sont pas marquées. La microscopie par diffusion Raman cohérente (CRS) est apparue comme une solution alternative en raison de sa rapidité et de ses capacités d'imagerie chimique au niveau moléculaire sans avoir besoins de marquage. Néanmoins, les techniques CRS sont encore loin d'atteindre une super-résolution en champ lointain qui soit réellement sans marqueur, en particulier pour les spécimens diffusants. Récemment, nous avons développé une nouvelle metodologie computationelle pour la microscopie CRS à super-résolution qui est général, dans le sens où il pourrait être applicable à n'importe quelle méthode CRS.

Dans COCOhRICO, nous visons à étendre ce cadre pour permettre la nanoscopie Raman rapide en champ lointain, c'est-à-dire pour aller au-delà de la résolution spatiale de 100 nm et pour l'imagerie dans les tissus et à l'intérieur de cellules uniques. Notre méthode repose sur l'exploitation de la non-linéarité élevée des modèles d'illumination structurés, afin de lire les informations à haute fréquence spatiale du spectre de l'échantillon, généralement perdues dans un microscope CRS conventionnel. Pour cela, nous exploitons des éclairages structurés aléatoires, c'est-à-dire des motifs de speckle, qui sont robustes contre la diffusion et les aberrations, et qui sont en outre faciles à mettre en œuvre. Alors que notre source laser actuelle ne permettait que des expériences de microscopie, la nouvelle disposition optique proposée dans COCOhRICO permettra d'étendre le cadre récent aux régimes de microspectroscopie. Une telle configuration, avec une sélectivité et une sensibilité chimique améliorées, nécessitera également le développement de nouveaux algorithmes, et nous prévoyons d'exploiter les corrélations de speckle et les prieurs de sparsité chimique pour cela.

Ces outils sont développés pour répondre à des questions ouvertes sur le phytoplancton, en particulier pour élucider la composition chimique interne des diatomées. En raison de la petite taille des diatomées et de la diffusion inhérente de leur exosquelette (frustule), des méthodes de super-résolution rapides et résistantes à des aberracion optique sont nécessaires. Nous visons à exploiter le cadre développé pour répondre à des questions émergentes chez les diatomées : quelle est la composition chimique interne des organites et comment évoluent-ils avec les changements environnementaux physiques et chimiques. Les réponses fournies par les méthodes de COCOhRICO auront un large impact dans l'utilisation industrielle du phytoplancton et sur le comportement biogéochimique de la Terre.

Enfin, les résultats de COCOhRICO ouvrent la voie à la nanoscopie à super-résolution en champ lointain compatible avec les spécimens diffusants, permettant ainsi de répondre à des questions dans des systèmes où le marquage exogène est difficile, voire prohibitif.