La microscopie à super-résolution donne un aspect à l'échelle nanométrique

Une nouvelle étude à l'échelle nanométrique de la façon dont le virus SARS-CoV-2 se réplique dans les cellules pourrait offrir une plus grande précision dans le développement de médicaments, rapporte une équipe de l'Université de Stanford dans Communications naturelles. En utilisant des techniques de microscopie avancées, les chercheurs ont produit ce qui pourrait être certaines des images les plus nettes disponibles de l'ARN et des structures de réplication du virus, dont ils ont été témoins sous forme de formes sphériques autour du noyau de la cellule infectée.

“Nous n'avons pas vu le COVID infecter des cellules à cette haute résolution et nous savions ce que nous observions auparavant”, a déclaré Stanley Qi, professeur agrégé de bio-ingénierie à Stanford dans les écoles d'ingénierie et de médecine et co-auteur principal de l'article. “Être capable de savoir ce que vous regardez avec cette haute résolution au fil du temps est fondamentalement utile à la virologie et à la future recherche sur les virus, y compris le développement de médicaments antiviraux.”

ARN clignotant

Le travail éclaire les détails à l’échelle moléculaire de l’activité du virus à l’intérieur des cellules hôtes. Pour se propager, les virus s’emparent des cellules et les transforment en usines productrices de virus, dotées d’organites de réplication spéciaux. Au sein de cette usine, l’ARN viral doit se dupliquer encore et encore jusqu’à ce que suffisamment de matériel génétique soit collecté pour sortir, infecter de nouvelles cellules et recommencer le processus.

Les scientifiques de Stanford ont cherché à révéler cette étape de réplication de la manière la plus détaillée possible à ce jour. Pour ce faire, ils ont d’abord marqué l’ARN viral et les protéines associées à la réplication avec des molécules fluorescentes de différentes couleurs. Mais l’imagerie de l’ARN brillant à elle seule entraînerait des taches floues dans un microscope conventionnel. Ils ont donc ajouté un produit chimique qui supprime temporairement la fluorescence. Les molécules se rallumeraient alors à des moments aléatoires, et seules quelques-unes s'allumeraient à la fois. Cela a facilité la localisation des éclairs, révélant l’emplacement des molécules individuelles.

À l’aide d’une configuration comprenant des lasers, des microscopes puissants et un appareil photo prenant des photos toutes les 10 millisecondes, les chercheurs ont rassemblé des instantanés des molécules clignotantes. Lorsqu’ils ont combiné des séries de ces images, ils ont pu créer des photos finement détaillées montrant l’ARN viral et les structures de réplication dans les cellules.

“Nous disposons de méthodes très sensibles et spécifiques ainsi que d'une haute résolution”, a déclaré Leonid Andronov, co-auteur principal et chercheur postdoctoral en chimie à Stanford. “Vous pouvez voir une molécule virale à l'intérieur de la cellule.”

Les images résultantes, avec une résolution de 10 nanomètres, révèlent ce qui pourrait être la vue la plus détaillée à ce jour de la façon dont le virus se réplique à l'intérieur d'une cellule. Les images montrent de l'ARN magenta formant des amas autour du noyau de la cellule, qui s'accumulent en un grand motif répétitif. “Nous sommes les premiers à découvrir que l'ARN génomique viral forme des structures globulaires distinctes à haute résolution”, a déclaré Mengting Han, co-auteur principal et chercheur postdoctoral en bio-ingénierie à Stanford.

Les clusters aident à montrer comment le virus échappe aux défenses cellulaires, a déclaré WE Moerner, co-auteur principal de l'article et professeur Harry S. Mosher de chimie à l'École des sciences humaines. “Ils sont rassemblés à l'intérieur d'une membrane qui les sépare du reste de la cellule, afin qu'ils ne soient pas attaqués par le reste de la cellule.”

Tests de drogues à l’échelle nanométrique

Par rapport à l'utilisation d'un microscope électronique, la nouvelle technique d'imagerie peut permettre aux chercheurs de savoir avec une plus grande certitude où se trouvent les composants du virus dans une cellule grâce aux étiquettes fluorescentes clignotantes. Il peut également fournir des détails à l’échelle nanométrique sur les processus cellulaires qui sont invisibles dans la recherche médicale menée au moyen d’essais biochimiques.

Les techniques conventionnelles “sont complètement différentes de ces enregistrements spatiaux de l'endroit où se trouvent réellement les objets dans la cellule, jusqu'à cette résolution beaucoup plus élevée”, a déclaré Moerner. “Nous bénéficions d'un avantage grâce à l'étiquetage fluorescent, car nous savons d'où vient notre lumière.”

Voir exactement comment le virus développe son infection est prometteur pour la médecine. Observer comment différents virus s’emparent des cellules peut aider à répondre à des questions telles que la raison pour laquelle certains agents pathogènes produisent des symptômes légers alors que d’autres mettent la vie en danger. La microscopie à super-résolution peut également bénéficier au développement de médicaments. “Cette structure à l'échelle nanométrique des organites de réplication peut nous fournir de nouvelles cibles thérapeutiques”, a déclaré Han. “Nous pouvons utiliser cette méthode pour tester différents médicaments et voir leur influence sur la structure nanométrique.”

En effet, c'est ce que l'équipe compte faire. Ils répéteront l’expérience et verront comment les structures virales changent en présence de médicaments comme le Paxlovid ou le remdesivir. Si un médicament candidat peut supprimer l’étape de réplication virale, cela suggère que le médicament est efficace pour inhiber l’agent pathogène et permettre à l’hôte de combattre plus facilement l’infection.

Les chercheurs prévoient également de cartographier les 29 protéines qui composent le SRAS-CoV-2 et de voir ce que ces protéines font tout au long de l’infection. “Nous espérons que nous serons prêts à réellement utiliser ces méthodes pour le prochain défi afin de voir rapidement ce qui se passe à l'intérieur et de mieux le comprendre”, a déclaré Qi.