Institut Fresnel

Imager simultanément l’orientation et la position 3D de molécules fluorescentes

Une nouvelle méthode d’imagerie simultanée de la position et l’orientation 3D de molécules fluorescentes.


Imager à la fois l’orientation 3D et la position, dans les 3 dimensions de l’espace, de molécules uniques fluorescentes, est un défi que les scientifiques de l’imagerie super-résolue cherchent à relever depuis de nombreuses années. Alors que la localisation 3D de molécules uniques est aujourd’hui bien maîtrisée, leur orientation est très difficile à mesurer conjointement, en raison des couplages intrinsèques au processus d’imagerie qui s’opèrent entre orientation et position.
Les chercheurs de l’équipe MOSAIC de l’Institut Fresnel, en collaboration avec University of Rochester (USA), sont parvenus à montrer que l’utilisation d’une lame de phase à biréfringence spatialement variable est capable de relever ce défi. Cette lame, fabriquée par contraintes dans une lame de verre, possède une biréfringence spatiale à symétrie trigonale et a déjà montré son intérêt pour la polarimétrie. Placée dans le plan de Fourier d’un microscope de fluorescence, cette lame agit comme un filtre de phase et de polarisation pour transformer l’image des molécules uniques en une tâche focale déformée, dont la forme encode directement la position 3D des molécules et l’état de polarisation de leur rayonnement, comprenant la dépolarisation induite par les fluctuations angulaires moyennées dans le temps.
Cette méthode, appelée « Coordinate and Height super-resolution Imaging with Dithering and Orientation (CHIDO) », a été appliquée à la mesure de l’orientation/position de molécules uniques attachée à des filaments de F-actine déposés sur une surface de verre. Les molécules ont clairement une mobilité orientationelle non-négligeable et une orientation moyenne dans la direction des filaments. Cette dernière peut servir de rapporteur sur l’orientation de filaments dans des assemblages d’actine plus complexes dans les cellules. Cette information, pour le moment non accessible en microscopie optique, est riche de renseignements pour de nombreuses questions en biologie.

Figure : L’Imagerie de l’orientation 3D et de la position 3D de molécules uniques attachées à un filament de F-actine reconstruit in vitro sur une surface de verre. A gauche : l’image noir et blanc est l’image directe produite par toutes les molécules du filament. Les cônes représentent l’orientation (direction de pointé du cône), la fluctuation angulaire (ouverture angulaire du cône), et leur hauteur (couleur). A droite : exemple d’image d’une molécule unique projetée sur deux polarisations circulaires gauche et droite (haut) et son ajustement théorique (bas).


Référence : V. Curcio, L. A. Aleman-Castaneda, T. G. Brown, S. Brasselet, M. A. Alonso, Birefringent Fourier filtering for single molecule Coordinate and Height super-resolution Imaging with Dithering and Orientation (CHIDO), Nature Communications 11, 5307 (2020).
 https://doi.org/10.1038/s41467-020-19064-6
Article in Open Access published on 20 October 2020


Financements :
 National Science Foundation (NSF) (PHY-538 1507278)
 Excellence Initiative of Aix-Marseille Universite´ (AMU) A*MIDEX, a French “Investissements d’Avenir” programme
 European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme under the 540 Marie Sklodowska-Curie grant agreement N°713750.
 Regional Council of Provence- Alpes-Côte d’Azur. A*MIDEX (No ANR- 11-IDEX-0001-02) from the Investissements d’Avenir project funded by the French Government, managed by the French National Research Agency (ANR).
 CONACYT Doctoral Fellowship.


Contact Chercheurs : Equipe MOSAIC – Miguel Alonso et Sophie Brasselet