Une nouvelle technique de microscopie à fluorescence nommée SPIFFI permet de générer des images super-résolues dès la première exposition, ouvrant la voie à l’observation en temps réel des processus cellulaires rapides. Développée par des chercheurs et récemment publiée dans Nature, cette avancée résout les limites temporelles de l’imagerie nanométrique vivante.
La percée de SPIFFI et la polarisation de la lumière
Les méthodes traditionnelles de super-résolution ont profondément transformé la biologie cellulaire en briguant la limite de diffraction de la lumière, fixée à environ 200 nanomètres en résolution latérale. Cependant, ces techniques reposent généralement sur la capture de centaines, voire de milliers d’images individuelles pour reconstituer un seul cliché net. Une contrainte majeure lorsqu’il s’agit d’observer des cellules vivantes en mouvement constant.
C’est précisément ce verrou technologique que franchit la technique baptisée SPIFFI, pour spatial polarization-induced fluorescence fluctuation imaging. L’innovation repose sur un principe physique fondamental : les molécules fluorescentes émettent de la lumière polarisée. Selon l’orientation de chaque molécule, les ondes lumineuses oscillent préférentiellement dans certaines directions bien précises.
Aleksandra Radenovic, du Laboratory of Nanoscale Biology (LBEN) en EPFL, a indiqué que SPIFFI peut capturer des processus évoluant rapidement au sein des cellules, tout en permettant une imagerie multidimensionnelle à haut débit au-delà des limites des microscopes conventionnels.
Concrètement, le système optique de SPIFFI divise cette lumière fluorescente en quatre canaux sensibles à la polarisation, puis compare les images obtenues pour exhumer des détails structurels jusqu’alors invisibles.
Des vidéos super-résolues de cellules vivantes
Les travaux menés par Wei Guo, Lely Feletti et Aleksandra Radenovic démontrent qu’il est désormais possible d’améliorer la résolution d’une image par un facteur de deux en une seule exposition. Les chercheurs ont ainsi pu atteindre une résolution d’environ 160 à 170 nanomètres, ce qui a permis de filmer avec netteté des phénomènes dynamiques tels que la division et la fusion cellulaires.
Wei Guo, doctorant au LBEN et premier auteur de l’étude, a expliqué qu’avec les techniques précédentes, la prise de nombreuses images ne permettait d’obtenir qu’une seule trame super-résolue, tandis qu’avec SPIFFI, chaque trame est super-résolue, ce qui signifie qu’il est désormais possible de produire des vidéos en super-résolution de cellules vivantes.
En combinant ces acquisitions en un seul cliché avec des méthodes de fluctuations existantes pour le post-traitement, l’équipe a même pu atteindre des résolutions avoisinant les 80 nanomètres. Autre avantage pratique souligné par les auteurs, le matériel optique de SPIFFI peut s’intégrer directement sur des microscopes à fluorescence déjà existants, s’évitant l’achat d’un équipement lourd et entièrement dédié.
Une évolution historique de la microscopie optique
Cette nouvelle étape s’inscrit dans une longue quête scientifique menée depuis les années 1990 pour repousser la limite de diffraction imposée par la longueur d’onde de la lumière. Si des pionniers tels que Stefan Hell, Eric Betzig et William Moerner avaient ouvert les portes de la nanodimension — un travail récompensé par le prix Nobel de chimie en 2014 —, leurs méthodes initiales restaient limitées aux échantillons fixés ou nécessitaient des lasers si puissants qu’ils endommageaient les cellules vivantes.
Au fil des décennies, l’éventail des solutions s’est enrichi de multiples approches, depuis la microscopie STED basée sur l’appauvrissement par émission stimulée jusqu’aux méthodes de localisation de molécules uniques comme PALM et STORM, ou encore la microscopie à illumination structurée (SIM). Chaque avancée a réduit la complexité matérielle ou la phototoxicité, permettant d’observer des organites en trois dimensions ou de suivre des protéines individuelles en temps réel.
L’intelligence artificielle et l’automatisation au service de la recherche en Écosse
L’Université Heriot-Watt a ainsi obtenu un financement de 449 000 livres sterling de la part de la Wolfson Foundation pour implanter une plateforme d’imagerie pilotée par l’intelligence artificielle au sein du Edinburgh Super-Resolution Imaging Consortium (ESRIC).
Ce système automatisé, conçu pour identifier les zones d’intérêt sans intervention humaine continue, permettra de repérer des événements cellulaires rares parmi des millions de cellules. Selon les responsables de la structure, cette automatisation va considérablement accélérer l’analyse de processus biologiques complexes liés au cancer, au vieillissement musculaire ou à la génétique, tout en réduisant l’empreinte carbone liée aux déplacements des chercheurs grâce à des possibilités d’accès et d’analyse à distance.
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