Une nouvelle méthode d’imagerie cellulaire non-invasive révèle la structure des gouttelettes lipidiques

Une recherche coordonnée par Marine Froissard, équipe "Différenciation et polarité cellulaire" en collaboration avec Yann Gohon équipe "Dynamique et structure des corps lipidiques", a permis de mettre au point un nouveau procédé d’imagerie multimodale en combinant différentes techniques de microscopie des synchrotrons SOLEIL (France) et ALBA (Espagne). Cette approche a permis d'obtenir un ensemble d'informations complémentaires sur la composition et la structure des gouttelettes lipidiques présentes dans les cellules de levure, sans ajout de produits de coloration ou de fixation susceptibles d'endommager les cellules. Ces résultats sont publiés le 4 mai 2020 dans Journal of synchrotron radiation.




Observation d'une levure par tomographie rayons X mous sur la ligne MISTRAL du synchrotron ALBA (Espagne) et photo montage de corps lipidiques

Comme le corps, qui est constitué de différents organes lui permettant de vivre, toute cellule d’organisme supérieur est composée de différents organites assurant de multiples fonctions pour en garantir la viabilité. Parmi ces organites, les gouttelettes lipidiques sont très étudiées car elles sont associées à plusieurs maladies comme le diabète ou l’obésité. Les lipides qu’elles contiennent sont des molécules importantes pour le secteur alimentaire (huiles végétales), la chimie verte (biodiesel) et l’industrie cosmétique (savons, crèmes contenant des huiles végétales). Ces gouttelettes sont composées de différents types de lipides, principalement des triglycérides et des esters de cholestérol ; leur organisation forme la structure de la gouttelette. Comprendre la composition et la structure des gouttelettes est en conséquence un enjeu majeur pour la société.

Jusqu’à présent les techniques utilisées pour étudier la structure interne des gouttelettes lipidiques détruisaient les cellules. Si ces techniques avaient déjà permis d’obtenir des informations précieuses sur la composition et la structure de gouttelettes isolées ou dans des coupes cellulaires, de nouveaux outils d’imagerie étaient nécessaires pour une étude exhaustive de leur fonctionnement et leur interaction avec d’autres organites au sein de cellules intactes.

Pour la première technique, les chercheurs ont utilisé la cryo tomographie aux rayons X mous du synchrotron ALBA sur des levures vitrifiées (congelées instantanément), une technique d’imagerie utilisant les rayons X. Cette technique permet d’étudier l’architecture interne des cellules à l’échelle nanométrique, en particulier la disposition des différents organites et leurs interactions. Les gouttelettes lipidiques absorbent fortement les rayons X et se distinguent clairement sur les images.

La seconde technique utilisée est l’imagerie à ultra-violets (UV) profonds du synchrotron SOLEIL. Cette technique ne nécessite pas de préparation particulière et permet de conserver les cellules vivantes pour des observations de l’échelle micrométrique à nanométrique (i.e. du millionième au milliardième de mètre). Elle permet notamment d’observer la dynamique des processus biologiques ayant lieu à l’intérieur des cellules. Pour les chercheurs le défi était d’adapter cette technique pour observer des cellules de levures, dix fois plus petites que les cellules animales ou végétales.

Des résultats inédits sur la structure interne de cellules dix fois plus petites que des cellules animales ou végétales

Les observations aux rayons X ont montré des changements structuraux des gouttelettes lipidiques en fonction de leur composition. L’imagerie UV a permis d’observer, sans marquage chimique et à l'échelle d'une centaine de nanomètres, les organites d’une levure unicellulaire vivante, en particulier leur structure et les zones de contact entre organites. Les chercheurs ont également mis au point des procédures spécifiques pour la combinaison de différentes techniques d’imageries UV (transmittance et autofluorescence du tryptophane et de la tyrosine, deux acides aminés présents dans les protéines) sur des cellules vivantes.

La combinaison des techniques d’imagerie synchrotron aux rayons X et UV fournissent des informations complémentaires sur les cellules de l’échelle nanométrique à l’échelle micrométrique. L’imagerie aux rayons X permet d’obtenir des informations sur la structure fine des organites d’une cellule tandis que l’imagerie UV autorise l’étude des processus biologiques au sein des cellules comme la division cellulaire, le suivi du devenir de molécules d’origine extracellulaire ou la réponse à un stress. La combinaison de ces deux techniques pourra s’appliquer à l’analyse d’autres types de cellules, qu'elles soient végétales ou animales, pour le plus grand bénéfice des utilisateurs de ces deux synchrotrons, et plus largement de la communauté des biologistes. Cette nouvelle procédure d’imagerie ouvre la voie à la constitution d’un atlas des organites dans les cellules vivantes.


Le synchrotron SOLEIL et le dispositif INRAE-SOLEIL
Le synchrotron SOLEIL est un centre de recherche dédié à l’étude de la matière à travers ses interactions avec la lumière. SOLEIL offre un panel de techniques très large utilisant un spectre de rayonnement qui s'étend de l’infrarouge lointain aux rayons X durs en passant par toute la gamme des UV.
Le dispositif INRAE-SOLEIL est constitué de 2 ingénieurs INRAE mis à disposition auprès de SOLEIL, d’un coordinateur et d'un Conseil Scientifique d’Utilisateurs INRAE de SOLEIL (CSU). Pour les chercheurs des laboratoires d’INRAE les projets (proposals) doivent, avant d’être soumis sur la plateforme du Sunset, être transmis au CSU, qui a pour missions de les recenser, d’aider à leur optimisation, de choisir le bon comité de programme et d’éviter des doublons. Les appels à projets ont lieu 2 fois par an, au 15 Février et au 15 Septembre.