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.
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Jusqu'au début des années 1990, on expliquait que la résolutionrésolution d'un instrument optique étant limitée par la fréquencefréquence, celle du microscope classique ne devait pas pouvoir descendre en dessous de 0,2 nanomètrenanomètre. Remplacer la lumièrelumière par un flux d'électronsélectrons était alors la seule méthode pour faire mieux. Le prix Nobel de chimiechimie 2014 vient récompenser trois chercheurs pour avoir poussé plus loin les possibilités du microscope optiquemicroscope 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 moléculesmolécules 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 génétiquegénétique a fait progresser ce procédé, en incluant dans les gènesgènes mêmes l'addition d'une molécule fluorescente, comme la GFPGFP (Green Fluorescent Protein) ou la DsRed, sur une protéineprotéine 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

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 PlanckPlanck, 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 stimuléeémission stimulée. Dans ce dispositif, la fluorescence est déclenchée localement (par stimulationstimulation lumineuse, ce qui fait passer les atomesatomes dans un état excitéétat excité), sur le point à observer par un premier rayon laserlaser. 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 extinctionextinction 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 photonphoton de même fréquence que la stimulation, et donc pas de la couleurcouleur 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 LedLed 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 canularcanular. Mais depuis les premières loupes de GaliléeGalilée 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 tunneleffet tunnel ou à force atomique, les microscopes ont toujours fait progresser les sciences, de la physiquephysique à la médecine. Descendre en résolution sous les limites connues est à l'évidence d'une grande importance.