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Le prix Nobel de chimie 2014 pour la « nanoscopie »

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Emmener le microscope optique au-delà de la limite théorique de résolution : c'est ce qu'ont réussi Eric Betzig et William Moerner (États-Unis) avec la microscopie monomoléculaire, et Stefan Hell avec la microscopie à fluorescence STED. Les voilà tous les trois récompensés par le jury Nobel.

Images des mêmes particules colloïdales (de 200 nm de diamètre) obtenues, à gauche avec une microscopie confocale, à droite avec le dispositif STED. Deux grossissements sont montrés, la barre d'échelle indiquant 1 micron dans les grandes images et 250 nm dans les petites. © Benjamin Harke, Jan Keller, Chaitanya K. Ullal, Volker Westphal, Andreas Schönle, Stefan W. Hell, Opt. Express 16, 4154-4162 (2008)

Jusqu'au début des années 1990, on expliquait que la résolution d'un instrument optique étant limitée par la fréquence, celle du microscope classique ne devait pas pouvoir descendre en dessous de 0,2 nanomètre. Remplacer la lumière par un flux d'électrons était alors la seule méthode pour faire mieux. Le prix Nobel de chimie 2014 vient récompenser trois chercheurs pour avoir poussé plus loin les possibilités du microscope optique, dit aussi « photonique » en jouant astucieusement avec la technique de la microscopie à fluorescence, connue depuis le début du XXe siècle.

En ajoutant des molécules fluorescentes à une préparation, à la manière dont on utilise des colorants comme le font les biologistes, il est possible de mettre en évidence plus facilement certaines familles de molécules ou certaines structures. La génétique a fait progresser ce procédé, en incluant dans les gènes mêmes l'addition d'une molécule fluorescente, comme la GFP (Green Fluorescent Protein) ou la DsRed, sur une protéine que l'on veut pister. Cette technique avait valu le prix Nobel de chimie 2008 à trois hommes, Roger Tsien, Martin Chalfie et Osamu Shimomura.

Principe de la microscopie STED. Une petite zone de l'échantillon est illuminée par le premier laser (à gauche). Au centre un second faisceau, annulaire, éteint les molécules fluorescentes. Finalement, la lumière recueillie, à gauche, est un point de faible dimension. © Marcel Lauterbach, licence CC-BY-SA 3.0

Des astuces pour améliorer le microscope à fluorescence

En 2000, Stefan W. Hell, de l'institut Max Planck, en Allemagne, parvenait à mettre au point une technique de microscopie à fluorescence baptisée STED, pour stimulated emission depletion, ce que l'on peut traduire par microscopie à déperdition par émission stimulée. Dans ce dispositif, la fluorescence est déclenchée localement (par stimulation lumineuse, ce qui fait passer les atomes dans un état excité), sur le point à observer par un premier rayon laser. La lumière émise (sur une fréquence différente de celle de la stimulation) forme une tache large, ce qui réduit la résolution. Mais un second rayon laser éteint, littéralement, la lumière émise autour de ce point. Cette extinction est obtenue en ajustant la fréquence de cette lumière laser de sorte que les atomes excités repassent à l'état de repos par émission d'un photon de même fréquence que la stimulation, et donc pas de la couleur de la fluorescence recueillie par le microscope.

Eric Betzig et William Moerner, eux, ont travaillé sur la « microscopie monomoléculaire », tous deux aux États-Unis mais chacun de leur côté, le premier au Howard Hughes Medical Institute et le second à l'université de Stanford. La technique consiste à déclencher la fluorescence de quelques molécules par salves de courtes stimulations. Une succession d'images est obtenue qui permet ensuite de reconstituer les positions des molécules individuelles. La première image a été obtenue en 2006 par Eric Betzig. La résolution ainsi atteinte descend « au niveau nanométrique », explique le jury Nobel, qui parle de ce fait de « nanoscopie ».

Comme le prix Nobel de physique 2014, attribué aux inventeurs de la Led bleue, cette récompense est un peu une surprise. D'ailleurs Stefan Hell a confié à la presse que, plongé dans la lecture d'un article au moment où est tombée la nouvelle, il a d'abord cru à un canular. Mais depuis les premières loupes de Galilée ou d'autres, les modèles d'Antonie van Leeuwenhoek, au XVIIe siècle qui ont tant plu aux biologistes, et tous leurs successeurs, électroniques, à effet tunnel ou à force atomique, les microscopes ont toujours fait progresser les sciences, de la physique à la médecine. Descendre en résolution sous les limites connues est à l'évidence d'une grande importance.