Les limites de l’observation

Le noyau d'une cellule vu par le 3D-SIM Il s'agit ici de la première phase de division cellulaire (ou prophase). A l'intérieur de la membrane nucléaire (ici en vert, marquée au Lamin B), on voit clairement l'ADN (ici en rouge, marqué au DAPI) qui s'est agglutiné pour former des chromosomes. © Lothar Schermelleh

Tous les instruments ont leur limite. Et celle d'un microscope optique se situe, très précisément, à 200 nanomètres (nm), c'est-à-dire 200 10-9 mètres. En dessous de ce seuil, point de netteté possible : l'image formée devient aussi floue qu'une lune par nuit de brouillard. Tout du moins, c'est ce que l'on croyait. Car en améliorant le concept du microscope optique, une équipe germano-américaine est parvenue à prendre des clichés, en haute définition et dans les trois dimensions de l'espace, de structures cellulaires d'à peine 20 nm. Des objets dix fois plus petits que ce qu'est censé discerner un microscope optique ! *

* L. Schermelleh et al., Science, le 6 juin 2008

Les raisons d’une presbytie innée

Vue tridimensionnellle d'un noyau Ces images ont été prises par le 3D-SIM. On y voit des protéines nucléiares (en vert). © Lothar Schermelleh

Pour arriver à une telle performance, les chercheurs ont joué sur une caractéristique bien connue de la lumière : sa nature ondulatoire. En effet, d'un point de vue optique, un rayon lumineux se comporte comme une onde. Il se propage dans l'espace en dessinant une succession de creux et de bosses. Et quand la distance entre deux bosses – ou longueur d'onde – est comprise entre 400 et 700 nanomètres, la lumière devient visible.

Dans un microscope optique, la lumière réfléchie par l'objet observé est captée pour former une image. Or, la lentille, qui recueille cette information lumineuse, fait la mise au point, non pas sur un point justement, mais sur un disque dont le diamètre correspond à la moitié de la longueur d'onde de la lumière captée, soit 200 nm et 350 nm. Ceci explique que le microscope devienne presbyte pour des objets de taille inférieur à 200 nm. Cette frontière entre le net et le flou est appelée « limite d'Abbe », du nom du physicien allemand, Ernst Abbe, qui, au XIXe siècle l'a mise en évidence pour la première fois.

Des lunettes adaptées

Comparaison entre les images prises par un microscope optique et un 3D -SIM © Lothar Schermelleh

« Pour dépasser la limite d'Abbe, nous avons donc rusé en utilisant des faisceaux de lumière particuliers, déphasés les uns par rapport aux autres, » explique Heinrich Leonhardt, du département de biologie de l'université de Munich. Ces faisceaux partagent donc une même longueur d'onde mais leurs « creux et bosses » sont légèrement décalés dans le temps.

« Lorsqu'un tel panel de rayons rebondit sur un objet, il se produit des interférences optiques : des ombres apparaissent sur l'image. » Des signaux émis dans les trois dimensions de l'espace et qui, une fois analysés par un ordinateur, donnent à voir des structures nanométriques.

Grâce à cette astuce optique, les chercheurs ont créé un microscope optique d'un nouveau genre : le microscope à illumination structurée ou 3D-SIM. Et pour démontrer les capacités de leur prototype, les chercheurs ont pris des vues, en trois dimensions, de pores appartenant à la membrane nucléaire d'une cellule animale, des objets que même un microscope électronique ne parvient pas à voir aussi précisément. Les chercheurs espèrent commercialiser leur prototype dès l'année prochaine.