Les cyanobactéries sont des algues qui se développent facilement dans des lacs ou des mares qu'elles colorent en vert. Il est maintenant possible de les photographier avec des rayons X, ce qui constitue une première étape vers une révolution en biologie structurale. © SLAC National Accelerator Laboratory

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L'activité interne des cellules filmée grâce aux rayons X

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Un groupe international de chercheurs a réussi à photographier pour la première fois des cellules vivantes avec des rayons X issus d'un laser à électrons libres. La technique devrait pouvoir être améliorée au point de fournir dans un avenir proche des images à hautes résolutions montrant l'activité biochimique dans les cellules à l'échelle des molécules. De quoi révolutionner la biologie et la nanomédecine et nous permettre de découvrir les arcanes de la machinerie moléculaire au travail dans les infections virales, la division cellulaire ou la photosynthèse par exemple.

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L'un des vieux rêves aussi bien de la physique que de la biologie est en train de prendre forme selon un article publié dans Nature Communications. Des chercheurs sont en effet parvenus à prendre des clichés de cellules vivantes grâce aux rayons X.

Au cours du XXe siècle, les techniques de diffractions des rayons X ont permis de réaliser un bon gigantesque dans le domaine des sciences de la matière, notamment en cristallographie, et surtout en biologie puisqu'elles ont permis rien de moins que la détermination de la structure de l'ADN et de certaines protéines comme l'hémoglobine. De sorte que biologistes et physiciens ont fini par se mettre à rêver d'une technique d'imagerie avec les rayons X qui leur permettrait de voir tous les détails de la machinerie cellulaire en mouvement : l'activité des organites et les réactions entre les macromolécules dans les cellules. Cette imagerie supposait néanmoins la mise au point de lasers à rayons X, ce qui n'avait rien d'évident.

Des physiciens se sont penchés sur ce problème au milieu des années 1990 en étudiant la possibilité d'utiliser dans ce but les accélérateurs de particules. Certains d'entre eux sont parvenus à utiliser l'Accélérateur linéaire de Stanford (SLAC) pour construire le LCLS (Linac Coherent Light Sources) et produire ainsi des faisceaux laser de rayons X parmi les plus puissants du monde. Dès 2011, il était devenu possible avec le LCLS de visualiser une seule particule virale en un flash de quelques femtosecondes (10-15 seconde), ouvrant une nouvelle ère pour la biologie structurale.

Comme s'il s'agissait d'accompagner la célébration en 2015 de l'Année internationale de la lumière, les physiciens ont à nouveau mobilisé le LCLS pour obtenir cette fois-ci des images de véritables cellules vivantes, à savoir des cyanobactéries.

Des impulsions laser ultracourtes dans le domaine des rayons X permettent de former des figures de diffractions à partir de cyanobactéries individuelles. Le traitement de l'image permet ensuite de reconstituer une photographie. © SLAC National Accelerator Laboratory, YouTube

Rappelons que, comme l'explique la vidéo ci-dessus, les cyanobactéries, encore appelées algues bleu-verts, sont une forme abondante de bactéries qui ont transformé l'atmosphère de la Terre il y a 2,5 milliards d'années en libérant par photosynthèse de grandes quantités d'oxygène respirable, rendant possible l'apparition de nouvelles formes de vie. Les cyanobactéries existent encore aujourd'hui, par exemple dans les mares, et jouent un rôle clé dans les cycles de l'oxygène, du carbone et de l'azote de la Planète.

Des films de l'intérieur des cellules avec 100 images à la seconde

Les impulsions laser X produites par le LCLS sont suffisamment courtes pour permettre d'obtenir des figures de diffractions permettant d'imager les cellules alors que les impulsions X dont les scientifiques disposaient précédemment détruisaient les cellules avant de permettre la formation d'une image. Enfin, cette technique ne nécessite aucun traitement spécial des échantillons à observer. Les autres méthodes d'imagerie à haute résolution exigent des colorants spéciaux pour augmenter le contraste des images, ou de travailler seulement sur des populations de cellules mortes ou congelées. Rien de tel ici. Il est même possible d'obtenir des images de cellules individuelles.

Il ne s'agit pour le moment que d'images en 2D mais il devrait être possible, dans un futur proche, d'obtenir des images en 3D et d'augmenter encore la résolution. Le système actuel permet de capturer environ 100 images par seconde et donc de collecter des millions d'images à haute résolution en une seule journée pour suivre les modifications internes des cellules. Cette technique devrait contribuer à la biologie en mode big-data.

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