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Nanoscopie : une surprise de taille aux Nobel 2014

Comment les microscopes du XXIème siècle feintent la lumière pour réaliser l’impossible.

Comme le savent les philosophes, l’image d’un point n’est pas un point, même observé à travers les meilleurs microscopes. Et comme le savent les physiciens, du fait de la diffraction de la lumière le point se présente plutôt sous la forme d’une vilaine tache, qu’on appelle la tache d’Airy. Or les taches d’Airy ne sont pas l’image exacte des points : elles sont beaucoup moins disciplinées. Quand deux taches sont très proches l’une de l’autre, elles entament aussitôt les hostilités, de sorte qu’il devient quasiment impossible de les différencier. On pourrait dire que les images des deux points entrent en conflit. Même au moyen des microscopes optiques actuels, on ne peut distinguer qu’un amas informe qui ne ressemble à rien (en tout cas pas aux deux points originaux). En microscopie, ce problème ancestral est appelé « limite de résolution » ou limite de Abbe. C’est un problème épineux qui a été décrit au XIX° siècle par un certain Ernst Abbe, qui devait être un sacré pessimiste, puisqu’il a entraîné des générations de scientifiques à croire qu’on « ne peut pas améliorer la résolution d’un microscope au-delà de 0,2 micromètres ». Mais alors, qu’en serait-il de ces toutes-petites-choses-minuscules qui mesurent moins de 0,2 microns ? Les protéines ? Les virus – Ebola – HIV ? Ne pourra-t-on jamais les observer ? Pas possible, répond Ernst Abbe. Et il avait des arguments, le bougre : la lumière est ainsi faite qu’elle ne permet pas de voir ce qui est plus petit que sa longueur d’ondes. Abbe, plus réaliste que pessimiste, donc…

A moins de tricher, répondent les trois Nobel de chimie de cette année. La triche en microscopie ne date pas d’hier (on avait déjà inventé le microscope électronique pour faire la nique à la loi d’Abbe). Pour que personne ne vienne dire que les scientifiques sont chafouins, on pourrait parler de nanoscopie plutôt que de microscopie.

Microscopie STED (Wikimedia Commons)

Stimulated-Emission-depletion

Premier lauréat, Stefan Hell, inventeur d’une variante de la microscopie à fluorescence, qu’il a nommée microscopie à déperdition par émission stimulée qu’on préférera appeler STED pour éviter la migraine. Prenons une protéine marquée. Si on voulait l’observer avec un microscope à fluorescence classique, il faudrait l’illuminer avec un faisceau laser. Mais les différents points de cette protéine étant si proches les uns des autres (rappelez-vous qu’une protéine est en général minuscule et composée d’un très, très grand nombre de points) qu’en les regardant, ces points, même de près, on ne voit que des taches (d’Airy). Ce serait comme de zoomer un très grand nombre de fois sur une photo ; même en HD, le résultat finira toujours par être un vilain amas de taches indisciplinées.

Mais S. Hell, en plus d’avoir un nom de rockstar, a eu l’excellente idée d’incorporer un deuxième rayon laser, autour du premier. Celui-ci, dit rayon d’étouffement, a pour rôle de calmer (on dit éteindre) les points voisins du point observé. Les images de ces points ne sont pas indisciplinées puisqu’elles n’existent plus. C’est un petit peu radical, ça paraît génocidaire, et on est en droit de se demander comment il serait possible d’observer une protéine si on en voit moins qu’un infime pourcentage. Mais la magie de la technologie autorise des folies impensables du temps de E. Abbe. Le « nanoscope » de S. Hell scanne la protéine à très grande vitesse, de sorte que chaque point a droit à son quart d’heure de gloire. Chaque point passe sous le feu des projecteurs (le laser de stimulation) tandis que ses voisins restent dans l’ombre, éteints par le laser d’étouffement. Cette brève illumination assouvit les désirs de gloire du point – et tant pis s’il est aussitôt éteint par le laser d’étouffement. Chacun son tour. Puis l’ordinateur se charge de compiler les données pour reconstituer l’image de la minuscule protéine au moyen de tous les points qui la constituent.

Autres lauréats du même prix Nobel : Eric Betzig et William Moerner pour leur technique dite de « microscopie monomoléculaire ». Eux ont décidé d’éclairer la protéine marquée avec de courtes stimulations répétées inlassablement. Très peu de points sont ainsi illuminés à la fois. Les taches qu’ils forment ainsi sont si éloignées qu’elles ne peuvent pas entrer en conflit, quelles que soient leurs motivations guerrières. Une série d’images est prise et, comme précédemment, l’ordinateur compile, et basta.

Mise en images par le docteur Wang :

Damien Desbordes

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