PRIX NOBEL DE CHIMIE 2014

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Le prix Nobel de chimie 2014 récompense trois physiciens dont les travaux ont permis de dépasser les limites de résolution de la microscopie optique et de développer de nouvelles techniques d’imagerie d’un intérêt considérable pour la recherche biomédicale. Les trois lauréats sont les Américains Eric Betzig (né le 13 janvier 1960 à Ann Arbor dans le Michigan) et William E. Moerner (né le 24 juin 1953 à Pleasanton en Californie), ainsi que l’Allemand Stefan W. Hell (né le 23 décembre 1962 en Roumanie).

La résolution spatiale désigne la distance à partir de laquelle deux objets peuvent être distingués. Pendant longtemps, il était admis que les lois de l’optique imposaient une limite infranchissable à la résolution d’un microscope. En effet, l’image d’un point lumineux à travers un microscope n’est pas un point, mais une tache diffuse. Lorsque plusieurs objets lumineux se trouvent à de faibles distances, ces taches se superposent et il devient impossible de les distinguer. La taille de ces taches était donc considérée comme une limite à la résolution. En 1873, le physicien allemand Ernst Abbe a établi une formule selon laquelle la résolution ne peut être meilleure qu'environ la moitié de la longueur d’onde de la lumière, soit à peu près un quart de micromètre (un micromètre est un millième de millimètre). Bien que la microscopie optique joue depuis plusieurs siècles un rôle très important dans l’étude du vivant, il a été impossible d’observer, jusqu'à la fin des années 1990, la structure d’objets beaucoup plus petits que le quart du micromètre, tels les virus. Les travaux des trois chercheurs récompensés ont abouti à la mise au point de méthodes de microscopie dites super-résolutives, qui rendent caduque la limite d'Abbe et ont permis l’avènement de la nanoscopie, dans laquelle la résolution peut cette fois se chiffrer en nanomètres (un nanomètre est un millième de micromètre).

William E. Moerner, actuellement professeur à l’université Stanford (Californie), est un pionnier de l’étude des molécules individuelles, particulièrement des protéines fluorescentes. Celles-ci peuvent être excitées par un faisceau laser et réémettre de la lumière d’une couleur différente. Grâce au génie génétique, il est possible d’utiliser ces protéines comme des marqueurs et de les fusionner avec n’importe quelles protéines d’une cellule afin de rendre visibles ces dernières à travers le microscope. Cette technique est couramment utilisée dans les laboratoires de biologie à travers le monde pour observer des structures et processus moléculaires dans des cellules vivantes. Alors que les chercheurs étudiaient classiquement les propriétés moyennes de grands ensembles de molécules, W. E. Moerner a été le premier à observer une molécule fluorescente individuelle dans un milieu dense en 1989, puis à montrer que la protéine fluorescente verte, la plus connue des biologistes, était capable de clignoter. Les travaux de W. E. Moerner et ceux qu’ils ont inspirés ont préparé le terrain pour un nouveau concept d’imagerie, la microscopie PALM (photoactivated localization microscopy, « microscopie par localisation photoactivée »). L'invention de cette méthode, avec une première démonstration expérimentale publiée en 2006, est due à Eric Betzig qui est depuis lors directeur de laboratoire au campus de recherche Janelia Farm de l’Institut médical Howard Hughes, en Virginie. La microscopie PALM utilise des protéines fluorescentes capables de basculer aléatoirement d'un état inactif à un état fluorescent. En contrôlant la fréquence de ces transitions, on peut prendre de nombreuses images d’un même échantillon et faire en sorte que, dans chaque image, n’apparaisse qu’un petit sous-ensemble, aléatoire, de molécules. Bien que chacune de ces images ait une résolution limitée par la loi d’Abbe, on peut, à l'aide d'un algorithme approprié, calculer les coordonnées des molécules fluorescentes avec une précision bien meilleure que cette résolution puisque, en raison de leur faible nombre, les taches fluorescentes ne se recouvrent plus. En agrégeant les coordonnées calculées dans toutes ces images, on peut ensuite créer une image super-résolutive. Des variantes de cette méthode ont permis d’imager des structures biologiques avec une résolution de l’ordre de dix nanomètres.

Stefan W. Hell, d’abord en Finlande, puis en Allemagne – où il est directeur de l’Institut Max-Planck à Göttingen –, a élaboré une approche différente, mais qui exploite également les propriétés photochimiques des molécules fluorescentes. Son invention, la microscopie STED (stimulated emission depletion, « déplétion par émission stimulée »), dont la première démonstration expérimentale a été publiée en 2000, repose sur le processus de l’émission stimulée, dans lequel un deuxième faisceau laser, de longueur d’onde plus grande, est utilisé pour désexciter rapidement les molécules excitées par le premier laser, avant que celles-ci n'aient le temps de devenir fluorescentes. Grâce à ce processus, et à un dispositif optique qui lui confère une forme annulaire, ce deuxième faisceau rend invisibles toutes les molécules excitées hormis celles qui se trouvent dans une petite région au centre des deux faisceaux. Par conséquent, la dimension de la tache fluorescente émise par les molécules dans cette région est plus petite que celle qui était prévue par la loi d’Abbe. Stefan Hell a proposé une modification de cette loi qui prédit que la taille de cette tache peut être rendue arbitrairement petite en augmentant la puissance du second laser. En balayant l’échantillon avec ces deux faisceaux lasers, il est possible là aussi d'obtenir une image avec une excellente résolution.

Ces deux techniques d’imagerie continuent d’évoluer, de sorte que l’on peut s'attendre à des améliorations importantes de la résolution spatiale et temporelle dans les années à venir. D’ores et déjà, elles permettent aux chercheurs d’étudier des structures et des processus moléculaires à des échelles qui étaient inaccessibles jusqu’ici, telles que les excroissances des neurones, l’assemblage des virus ou l’architecture des chromosomes bactériens. La microscopie super-résolutive devrait jouer un rôle clé dans de nombreuses découvertes à venir dans le domaine biologique et médical.

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Écrit par :

  • : docteur en astrophysique, chef de laboratoire à l'Institut Pasteur, Paris

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Christophe ZIMMER, « PRIX NOBEL DE CHIMIE 2014 », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 26 novembre 2021. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/prix-nobel-de-chimie-2014/