Elad Harel est habitué à éclairer les mystères du monde naturel. Travailler à la pointe de la spectroscopie ultra-rapide – l’application de faibles impulsions laser pour analyser la dynamique des molécules – la recherche du professeur agrégé de l’Université d’État du Michigan vise à révéler comment les phénomènes microscopiques ont un impact sur de grands systèmes complexes.
Une frontière prometteuse sur laquelle Harel a travaillé est le développement de nouvelles méthodes de microscopie qui permettra aux chercheurs d’observer des paysages moléculaires et atomiques en mouvement plutôt que par imagerie statique.
Maintenant, dans une publication apparaissant dans le Actes de l’Académie nationale des sciencesHarel et ses collaborateurs rapportent l’utilisation de la lumière pour observer et étudier le « son » d’un virus – une percée auditive qui donne un aperçu de la biologie insaisissable en temps réel.
Le laboratoire de Harel a travaillé en étroite collaboration avec Dohun Pyeon, professeur au département de microbiologie, génétique et immunologie de MSU, ou MGI, qui a prêté l’expertise de son groupe dans la fourniture de cibles virales.
« Le travail d’équipe est vraiment important dans ce projet stimulant et passionnant, et il est fascinant d’observer expérimentalement le mouvement à l’échelle nanométrique de ces minuscules particules de virus – ils« respirent »sous l’illumination laser», a déclaré Yaqing Zhang, chercheur postdoctoral dans le Harel Lab et en premier Auteur de l’étude.
« Je suis convaincu que cette technique peut être largement utilisée pour des millions de virus et autres échantillons biologiques et acquérir des informations plus inestimables.
Le College of Natural Science a rencontré Harel pour en savoir plus sur cette découverte et un processus qu’il appelle la spectroscopie biosonique.
Cette conversation a été modifiée pour la durée et la clarté.
Peu de gens enchaîneraient les mots «virus», «Light» et «écouter» dans une phrase. Pourriez-vous parler un peu de la science fondamentale derrière cette découverte?
Chaque type de système a une fréquence vibrationnelle naturelle, qu’il s’agisse d’une étoile ou d’une entité biologique comme un virus. Vous pouvez le considérer comme le son du matériau, par lequel tous les atomes vibrent comme des balles connectées par un réseau complexe de ressorts.
La disposition des atomes et de leurs interactions est la raison pour laquelle lorsque je frappe sur une table, cela semble différent de ce que je frappe sur un mur. Bien sûr, le son peut être beaucoup plus complexe et contenir des informations importantes: si vous entendez une voix familière à travers la pièce, vous pouvez immédiatement identifier de qui il vient. Le son est donc un puissant moyen d’identification.
Les chercheurs envisagent des vibrations ultrasoniques de nanoparticules métalliques depuis plusieurs années, mais nous voulions poser la question: « Les systèmes biologiques produisent-ils un son lorsqu’ils connaissent une force? »
Pour initier le son, nous utilisons de courtes impulsions de lumière qui génèrent un mouvement cohérent dans le système. Nous utilisons ensuite une deuxième impulsion de lumière pour sonder ce mouvement à différents moments dans le temps. En enchaînant tous les instantanés dans le temps, nous pouvons produire un film moléculaire qui capture le mouvement vibrationnel de l’objet.
C’était une sorte d’idée éloignée, et il n’y avait pas vraiment de précédent pour cela, et nous avons découvert que les virus ont un son unique, ce qui ouvre une toute nouvelle façon de penser la biologie.
Qu’il s’agisse d’un virus, d’une protéine, de bactéries ou du noyau d’une cellule – chacun aura cette signature unique que nous pouvons détecter.
Pourquoi «l’écoute» d’un système biologique a-t-elle semblé une approche efficace par rapport à d’autres méthodes d’analyse?
Nous essayions de résoudre un problème fondamental en biologie, qui a également été au centre de notre subvention Keck Foundation – pour obtenir la résolution de la microscopie électronique, mais pour les systèmes vivants.
La microscopie électronique (EM) elle-même est très puissante, mais vous prenez vraiment des instantanés de la vie, et vous le faites dans un environnement assez différent de ce que vous trouvez dans les organismes vivants. EM se fait dans le vide, et avec Cryo-EM, cela se fait à des températures très basses où la vie ne peut pas être maintenue. L’objectif de la subvention Keck était de développer des méthodes de microscopie qui peuvent visualiser et suivre la biologie dans l’environnement chaud et humide où les êtres vivants fonctionnent.
Nous avons passé plusieurs années à développer des techniques de plus en plus sensibles qui peuvent mesurer les vibrations acoustiques, en particulier au niveau des particules uniques. C’était en collaboration avec le Pyeon Lab dans MGI, ce qui nous a aidés à accéder à différents virus.
La vue d’ensemble considère également comment cette approche acoustique pouvait être utilisée comme une sonde d’imagerie puissante sans avoir besoin d’étiquetage. C’est le processus dans lequel un marqueur est attaché à une molécule, permettant aux chercheurs de suivre et d’étudier ses comportements et ses interactions. Bien que extrêmement utile et spécifique, le processus d’étiquetage peut être lent et intensif.
L’un de nos objectifs est de montrer que cette nouvelle méthodologie pourrait utiliser l’étiquetage naturel d’un virus ou d’une molécule -, en grande partie, le son de ses propres matériaux qui le distingue de tout le reste d’un système.
Alors, à quoi ressemblent ces virus? Changent-ils jamais leur mélodie?
Il s’est avéré que les vibrations se produisent dans la région de Gigahertz. Il s’agit d’une très, très basse fréquence par rapport au point de transitions optiques. Par exemple, la lumière visible est dans les centaines de térahertz, ce sont donc des milliers à des millions d’énergie inférieure à ce que nous pensons généralement en termes de spectroscopie optique.
Dans cet article, nous avons montré que nous pouvons suivre les virus uniques et même écouter une rupture du virus. Alors que le virus commence à s’ouvrir et à s’affaiblir, son acoustique commence à changer, allant plus bas – presque comme un ballon dégonflant.
À quoi ressemble l’avenir pour ces découvertes?
Ce que nous voulons faire ensuite, c’est montrer que nous pourrions réellement suivre dynamiquement la façon dont un virus se déplace. Si nous voulons regarder un virus entrer dans une cellule maintenant, le processus est très, très difficile et lent via une microscopie électronique ou en utilisant un marquage de fluorescence complexe.
Par exemple, nous avons une subvention avec l’agence de réduction des menaces de défense qui s’intéresse à la détection biologique et chimique. L’une des choses qu’ils font est de développer des médicaments ou des antiviraux pour lutter contre les infections virales.
La réflexion est: pouvons-nous utiliser ce type de technique pour accélérer ce processus de développement – parce que nous pourrions potentiellement regarder le cycle de vie d’un virus du début à la fin et mieux comprendre l’influence des antiviraux ou des médicaments pour perturber ce processus.
