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La " microscopie de l'ADN " offre une toute nouvelle façon d'obtenir des images cellulaires

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Plutôt que de s'appuyer sur l'optique, le système de microscopie offre un moyen codé chimiquement pour cartographier les positions relatives des biomolécules

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La microscopie vient d'être réinventée, encore une fois.

Traditionnellement, les scientifiques ont utilisé la lumière, les rayons X et les électrons pour observer l'intérieur des tissus et des cellules. Aujourd'hui, les scientifiques peuvent tracer des fibres nerveuses filiformes dans tout le cerveau et même regarder des embryons de souris vivants conjurer les cellules battantes d'un cœur rudimentaire.

Mais il y a une chose que ces microscopes ne peuvent pas voir : ce qui se passe dans les cellules au niveau génomique.

Aujourd'hui, le biophysicien Joshua Weinstein et ses collègues ont inventé un type d'imagerie peu orthodoxe appelé "microscopie de l'ADN" qui peut faire exactement cela. Au lieu de se fier à la lumière (ou à toute autre forme d'optique), l'équipe utilise des " codes à barres " d'ADN pour aider à localiser les positions relatives des molécules dans un échantillon.

Grâce à la microscopie de l'ADN, les scientifiques peuvent se faire une idée des cellules et accumuler simultanément d'énormes quantités d'information génomique, dit M. Weinstein. "Cela nous donne une autre couche de biologie que nous n'avons pas pu voir."

Weinstein, Aviv Regev, chercheur du Howard Hughes Medical Institute (HHMI) et Feng Zhang, biologiste moléculaire, qui a été choisi comme chercheur du HHMI en 2018, rapportent les travaux le 20 juin 2019 dans la revue Cell.

"C'est une toute nouvelle catégorie de microscopie, dit Regev. "Ce n'est pas seulement une nouvelle technique, c'est une façon de faire des choses qu'on n'avait jamais envisagées auparavant."

Quelque chose de nouveau

Jusqu'à présent, la microscopie se classait en deux grandes catégories. La première est basée sur l'optique ; la microscopie optique, par exemple, remonte aux années 1600 et repose sur la lumière visible pour éclairer les échantillons. Les scientifiques se sont rués sur cette approche, allant même au-delà du spectre visible. Microscopes électroniques, microscopes à fluorescence, microscopes à feuille de lumière - ils sont tous basés sur le principe que les échantillons émettent des photons ou des électrons, et le microscope détecte l'émission.

La deuxième catégorie est basée sur la dissection d'échantillons à des endroits définis par un microscope. Les programmes informatiques assemblent ensuite chaque morceau disséqué pour obtenir une image complète de l'échantillon intact.

L'imagerie optique peut offrir des portraits complexes de la structure et de l'action subcellulaire. La microscopie à dissection peut fournir aux scientifiques des informations génétiques. Weinstein et ses collègues du Massachusetts Institute of Technology voulaient tout faire d'un seul coup - prendre un instantané de la position d'une cellule et expliquer les séquences génétiques spécifiques qui l'animent.

Cette combinaison est importante pour les scientifiques qui étudient des ensembles de cellules génétiquement diversifiés. Le système immunitaire en est un parfait exemple, dit Weinstein. Les gènes des cellules immunitaires peuvent varier jusqu'à une seule lettre d'ADN. Chaque variation peut déclencher un changement dramatique dans le type d'anticorps qu'une cellule produit. L'emplacement de cette cellule dans un tissu peut également modifier la production d'anticorps.

Si vous vous concentrez sur l'un ou l'autre, "vous n'avez qu'une partie du tableau", dit-il.

Comment cela fonctionne

Capturer une image aussi complète d'une cellule ne nécessite pas un microscope coûteux ou beaucoup d'équipement sophistiqué, dit M. Regev. Tout ce dont vous avez besoin pour commencer, c'est d'un échantillon et d'une pipette.

Tout d'abord, les scientifiques prennent des cellules cultivées en laboratoire et les fixent dans une chambre de réaction. Ensuite, ils ajoutent un assortiment de codes à barres ADN. Celles-ci adhèrent aux molécules d'ARN, ce qui donne à chacune d'elles une étiquette unique. Ensuite, l'équipe utilise une réaction chimique pour faire de plus en plus de copies de chaque molécule étiquetée - une pile en croissance qui se dilate à partir de l'emplacement original de chaque molécule.

"Imaginez chaque molécule comme une tour de radio diffusant son propre signal vers l'extérieur ", dit M. Weinstein.

Finalement, les molécules marquées entrent en collision avec d'autres molécules marquées, ce qui les force à se lier par paires. Les molécules situées à proximité les unes des autres seront plus susceptibles d'entrer en collision, générant plus de paires d'ADN. Des molécules plus éloignées l'une de l'autre produiront moins de paires.

Une machine de séquençage de l'ADN épelle les lettres de chaque molécule de l'échantillon, ce qui prend jusqu'à 30 heures. Un algorithme que l'équipe a créé décode ensuite les données - qui, dans le papier, représentent environ 50 millions de lettres d'ADN de séquences génétiques de chaque spécimen original - et convertit les données brutes en images.

"En gros, vous êtes capable de reconstruire exactement ce que vous voyez sous un microscope optique ", dit M. Weinstein.

Les deux méthodes sont complémentaires, ajoute-t-il. La microscopie optique permet de bien voir les molécules même lorsqu'elles sont rares dans un échantillon, et la microscopie ADN excelle lorsque les molécules sont denses, même empilées les unes sur les autres.

Il pense que la microscopie de l'ADN pourrait un jour permettre aux scientifiques d'accélérer le développement de traitements d'immunothérapie qui aident le système immunitaire des patients à combattre le cancer. La méthode pourrait permettre d'identifier les cellules immunitaires les mieux adaptées pour cibler une cellule cancéreuse en particulier, dit-il.

Chaque cellule a une composition unique de lettres d'ADN, ou génotype, dit Zhang. "En capturant l'information directement des molécules étudiées, la microscopie de l'ADN ouvre une nouvelle voie pour relier le génotype au phénotype."

Les possibilités offertes par cette catégorie de microscopie sont grandes ouvertes, ajoute M. Regev. "Nous espérons que cela éveillera l'imagination, que les gens seront inspirés par de grandes idées auxquelles nous n'avons jamais pensé."

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