PRIX NOBEL DE CHIMIE 2014

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,[...]