L’Institut Pasteur vient d’inaugurer l’installation d’un nouveau microscope électronique doté de capacités hors norme : le nouveau Titan Krios™. Ce nouvel équipement a été inauguré par Frédérique Vidal, ministre de l’Enseignement supérieur, de la Recherche et de l’Innovation, de Christian Vigouroux et de Stewart Cole, respectivement président du conseil d’administration et directeur général de l’Institut Pasteur. Erik Orsenna, ambassadeur de l’Institut Pasteur, a été le reporter du jour et a guidé la visite des locaux abritant le microscope, s'appuyant sur les explications de Dorit Hanein, chercheuse à l’Institut Pasteur et un des experts mondiaux du Titan KriosTM.
Virus, composants d’une cellule, ou encore complexes de protéines : avec le microscope Titan KriosTM (Thermo Scientific™ Krios™ Cryo-TEM, signé Thermo Fisher Scientific), toutes ces structures et ces phénomènes biologiques pourront être visualisés avec un niveau de détails jusqu’ici inégalé. Ce microscope facilite ainsi l’observation, en très haute résolution, des échantillons les plus fragiles au plus près de leurs conditions naturelles, grâce notamment à la préparation de ces échantillons à l’aide de techniques cryogéniques. Associée à une caméra ultraperformante, l’imagerie en conditions cryogéniques permet des rendus en trois dimensions d’une précision inédite. Avec Titan Krios™, l’Institut Pasteur dote ses chercheurs d’un outil d’une puissance extraordinaire pour observer les cellules au plus près du vivant.
Titan KriosTM : retour en images sur un chantier pharaonique. Crédit : Institut Pasteur.
Le microscope Titan KriosTM est désormais installé. Nous avons procédé à des étalonnages poussés, et nous menons à présent une série de tests en collaboration avec FEI pour que l’appareil révèle tout son potentiel », explique le Pr Dorit Hanein, responsable de l’unité Etudes structurales de machines moléculaires in cellulo à l’Institut Pasteur. Egalement chercheuse en Bioinformatique et biologie structurale à l’Institut de recherche médicale Sanford-Burnham (San Diego), elle est un des experts mondiaux de Titan et a supervisé son installation au sein de l’Institut Pasteur. « Une fois la procédure de réception du Titan KriosTM effectuée, nous poursuivrons l’ajustement et l’optimisation de ses performances afin de mettre ses puissantes capacités d’imagerie au service de l’analyse des divers échantillons des chercheurs de l’Institut Pasteur. »
Les recherches du Pr Dorit Hanein visent notamment à élucider le mode d’utilisation, par les cellules, d’imposantes machines macromoléculaires dans les processus cellulaires : une problématique essentielle en biologie cellulaire. Avec son unité, elle exploitera Titan KriosTM et l’équipement auxiliaire pour continuer à développer une plateforme technologique de pointe en vue de l’intégration quantitative d’échelles entre le comportement cellulaire macroscopique et les modifications structurales à haute résolution. « L’exploitation de cette plateforme technologique pour consolider le flux de travail ouvrira de nouvelles perspectives dans la compréhension des processus responsables des maladies à tous les niveaux. »
Selon la chercheuse, « Titan KriosTM délivre, au travers de l’analyse computationnelle, une technologie performante pour apprécier le lien entre fonction cellulaire et modifications structurales. » Titan offre aux chercheurs une opportunité inédite de s’approcher au plus près du vivant. « Prenons l’exemple d’un nageur. Pour comprendre comment cette incroyable “machine” parvient à nager, il faut observer la manière dont en fonctionnent toutes les parties, comment elles interagissent de façon stratégique, et en “visualiser” le résultat dans son milieu naturel, à savoir un océan surpeuplé. Jusqu’à présent, nous observions le fonctionnement de chaque partie, ou nanomachine, de façon très précise, mais isolée. Or, cette approche pouvait limiter notre compréhension. En effet, les mouvements du nageur dépendent non seulement de ses capacités, mais également de ses interactions avec les autres êtres peuplant l’océan. Il est donc essentiel de souligner cet aspect : Titan KriosTM nous permettra avant tout d’observer le vivant dans son propre environnement et de visualiser et découvrir les comportements et interactions élémentaires, au sens premier du terme. »
Le domaine de la cryomicroscopie électronique 3D
- La « révolution de la résolution » signée par les avancées en cryo-microscopie électronique 3D (Prix Nobel 2017) décrit le niveau de détail accru des images, obtenu grâce à l’amélioration et à la multiplication des données disponibles : des possibilités offertes par ce type de microscope, les nouvelles caméras et les puissantes capacités d’exploration des données.
- L’objectif de la biologie structurale consiste à générer des modèles structuraux capables d’expliquer la fonction des macromolécules et machines cellulaires.
Le cryo-microscope électronique 3D
- Principe de base : les électrons se déplacent comme des vagues selon une trajectoire prédéterminée. Leur passage dans un échantillon génère des interactions avec ce dernier, qui les dévient de cette trajectoire. En capturant ces variations, nous sommes en mesure d’obtenir des informations structurales sur l’échantillon.
- L’échantillon utilisé doit être très fin. En effet, les électrons doivent pouvoir traverser l’ensemble de l’échantillon pour être « capturés » (enregistrés) par la caméra, de sorte que leur trajectoire puisse être reconstruite.
- Pour assurer la fidélité des échantillons biologiques, ceux-ci sont congelés sans formation de cristaux de glace (vitrification à -180 °C). Un échantillon biologique contient 70 % d’eau, et la dilatation de l’eau sous l’effet de la cristallisation engendre des dommages structuraux considérables. La vitrification offre une méthode idéale pour maintenir l’échantillon biologique intact.
- Images tridimensionnelles : l’analyse par ordinateur permet de générer des images tridimensionnelles de l’échantillon à partir des images bidimensionnelles brutes obtenues à l’aide du microscope. Il s’agit d’une fonctionnalité clé du microscope.
Le Titan KriosTM
Doté de capacités hors norme, le nouveau Titan Krios™ de l’Institut Pasteur est un microscope électronique de pointe signé Thermo Fisher Scientific. Virus, composants d’une cellule, ou encore complexes de protéines, toutes ces structures et ces phénomènes biologiques pourront être visualisés avec un niveau de détails jusqu’ici inégalé.
1/ Une nouvelle génération de microscopes électroniques à transmission haute résolution (comme Titan KriosTM) dotée d’une optique stable et affichant un rendement élevé favorise l’automatisation et la manipulation des échantillons.
- Une source d’énergie puissante est requise : 300 000 électronvolts.
- Un environnement sans perturbation est obligatoire : les variations de température, ainsi que les vibrations et interférences acoustiques ou électromagnétiques affectent les performances.
2/ Une nouvelle génération de caméras ultra-puissantes (à détecteurs directs) assure la détection directe et en quasi-temps réel de chaque signal électronique et améliore considérablement la résolution grâce à la correction de mouvement.
3/ Une puissante technologie d’imagerie de phase renforce significativement le contraste des images et garantit la résolution efficace d’une gamme de structures étendue.
4/ Une plateforme d’automatisation et de développement logiciel maximise le taux de réussite en matière d’acquisition de données, favorise le suivi en temps réel et permet de puissants développements en analyse d’image.
5/ Un rendement impressionnant :
- Les chercheurs peuvent charger jusqu’à 12 échantillons simultanément et choisir les meilleurs pour recueillir les données. Ils obtiennent ainsi des données en quantité et de qualité supérieures.
- De par la stabilité de son tube à vide, le microscope permet de lancer le recueil de données d’image sur plusieurs jours tout en maintenant tous les échantillons vitrifiés.
- Entièrement numérique et automatisé, le recueil des données peut être effectué durant la nuit et le week-end.
6/ Une préparation optimale des échantillons est essentielle à la qualité des informations structurales obtenues. Il est donc nécessaire de recourir à des microscopes de criblage pour déterminer et optimiser rapidement les meilleurs protocoles de préparation d’échantillons. De récents microscopes spécialisés permettent de traiter des échantillons qui seraient trop épais pour l’imagerie (certaines cellules ou certains tissus, par exemple) en isolant les régions d’intérêt des échantillons congelés avec une précision chirurgicale.
7/ La possibilité d’étudier les échantillons dans leur environnement naturel. De par :
- sa grande automatisation,
- son porte-échantillons et son tube à vide très stables,
- sa puissance de pénétration électronique élevée,
- son contraste renforcé grâce à la technologie d’imagerie de phase,
- la possibilité de détecter et d’exploiter pleinement chaque signal électronique,
Titan KriosTM permet de générer des informations structurales d’une qualité inégalée, et ce, pour une grande diversité d’échantillons, des protéines telles que l’hémoglobine aux coupes de tissus d’organismes entiers, y compris humains.
8/ Recueillant près de 2 téraoctets de données par jour, le système requiert une infrastructure back-end reposant sur un matériel informatique de pointe pour la gestion, le stockage et l’archivage d’un important volume de données, ainsi que pour l’évaluation de la qualité des données en temps réel, à la volée : une condition indispensable à l’utilisation optimale du microscope.
Avec Titan Krios, l’Institut Pasteur au plus près du vivant
