Révéler les cellules biologiques en 3D au nanomètre

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Published on 03 June 2021

Des chercheurs de l’Institut des Sciences Moléculaires d’Orsay, de l’Institut Langevin et de l’unité INSERM 1193, proposent un nouveau concept dans le processus de localisation des molécules uniques permettant d’extraire l’organisation 3D des échantillons biologiques. En substituant l’illumination uniforme de l’échantillon par une excitation structurée variant rapidement au cours de temps, l’émission de fluorescence des molécules est alors modulée temporellement. La position de chacune des molécules est obtenue par la mesure de la phase de son signal modulé avec une précision sous les 7 nm et qui reste uniforme jusqu’à plusieurs dizaines de microns en profondeur. Cette technique appelée ModLoc (Modulation Localization), permet d’envisager de nouvelles applications en biologie fondamentale ou pour le diagnostic médical, où le besoin de comprendre la structure cellulaire 3D à l’échelle moléculaire est un enjeu majeur.

a)  Principe de la microscopie ModLoc : L'introduction d'une excitation structurée et modulée dans le temps permet d'extraire précisément la localisation des molécules fluorescentes à l'échelle nanométrique suivant l'axe z.  L'échantillon biologique est excité via des franges d'interférences inclinées directement crééent dans l'échantillon et qui induisent une émission de fluorescence modulée. La mesure de la phase du signal modulé associée à chaque molécule fluorescente permet de retrouver sa position dans le champ d'observation. La détection permettant la démodulation est basée sur un module intégrant une cellule pockels associée à une caméra qui permet d'obtenir les 4 mesures d'intensité nécessaires au calcul de la phase et qui sont synchronisées aux quatre positions des franges d'interférences sur l'échantillon.

b) Image super-résolue en 3D de mitochondries localisées à 6 µm à l'intérieur de cellules COS7 où la position suivant z (axe optique) est réprésentée en fausse couleur et obtenue avec une précision sous les 7 nm.

C) zoom sur la region d'intéret.