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Technologie Tricorder : PicoRuler : règles moléculaires pour la microscopie haute résolution

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Technologie Tricorder : PicoRuler : règles moléculaires pour la microscopie haute résolution

PicoRuler : les règles moléculaires basées sur des protéines permettent de tester la résolution optique des méthodes de microscopie à super-résolution de pointe sur des biomolécules dans la gamme inférieure à 10 nm dans des conditions réalistes. (Photo : Gerti Bilyeu / Université de Würzburg, création DALL·E 3)

Note de l’éditeur: Vous et/ou vos assistants robotiques explorez un nouveau monde où la vie existe. Vous essayez de comprendre la génomique de base, la structure cellulaire et d’autres aspects de sa structure de base. Vous êtes très loin de chez vous et avez besoin d’informations à envoyer à votre domicile mais aussi pour orienter vos sorties de recherche et vos études en laboratoire sur place. Avoir un capteur 3D/portable capable de collecter de telles informations et de les transmettre à votre base d’origine pour une imagerie super-résolution pourrait être un excellent outil. Comment allons-nous équiper les explorateurs humains et robotiques de systèmes d’imagerie pour les missions d’équipe à distance ?


Les dernières méthodes de microscopie à super-résolution atteignent désormais une résolution optique de l’ordre de quelques nanomètres. Cela correspond à la résolution dans la gamme de tailles des molécules cellulaires. Cependant, il n’a pas encore été possible de vérifier la précision obtenue sur des éléments constitutifs cellulaires tels que des complexes multiprotéiques – car il n’existait pas de systèmes de référence biomoléculaires pouvant être marqués avec des colorants à des endroits précis à une distance de quelques nanomètres.

Une équipe dirigée par le Dr Gerti Bilyeu et le professeur Markus Sauer du Centre Rudolf Virchow – le Centre de bioimagerie intégrative et translationnelle de l’Université Julius Maximilians (JMU) de Würzburg en Bavière, en Allemagne, a marqué un tournant. Dans la revue Advanced Materials, ils présentent de nouvelles règles moléculaires biocompatibles, les PicoRulers (règles optiques pour l’étalonnage d’imagerie à base de protéines).

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En utilisant l’expansion du code génétique et la chimie des clics, l’équipe a réussi à construire ces règles moléculaires personnalisées. Ils peuvent être utilisés comme structures de référence biomoléculaires précises en microscopie à fluorescence.

Architecture PicoRuler basée sur PCNA pour la microscopie à super-résolution inférieure à 10 nm. A) Représentation de la conception de la règle PCNA, montrant les positions de trois fluorophores identiques à des intervalles de 6 nm. Ceci a été réalisé grâce à l’épitaxie bioorthogonale de ncAA, qui ont été spécifiquement introduits sur le site du PCNA par le GCE. Comme échantillon de référence, nous avons utilisé du PCNA marqué avec DOL ≈0,4. B) SDS-PAGE montrant la pureté du WT PCNA après chaque étape de purification. L : échelle protéique, His : après chromatographie d’affinité au nickel, Strep-Trap : après chromatographie d’affinité Strep-tag et SEC : après chromatographie d’exclusion de taille. La bande du monomère PCNA est marquée d’un triangle rouge. C) PCNA-6 (S186Norb) imagé par TEM sous coloration négative avec de l’acétate d’uranyle. D) Chromatogramme SEC de PCNA-6 (S186Norb) après marquage avec H-Tet-Cy5, confirmant la conjugaison réussie des fluorophores à la protéine PCNA. La fraction contenant le PicoRuler étiqueté est affichée en bleu. Barre d’échelle 5 nm (c) – Matériaux avancés

Un chef-d’œuvre technologique : la précision au niveau moléculaire

Les PicoRulers sont basés sur la protéine en trois parties PCNA (antigène nucléaire de cellules en prolifération), qui joue un rôle clé dans la réplication et la réparation de l’ADN. En insérant soigneusement des acides aminés non naturels dans des emplacements précisément définis, cette protéine a été modifiée de telle manière qu’elle peut cliquer spécifiquement sur des colorants fluorescents ou d’autres molécules avec une erreur de liaison minimale.

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Cela permet aux chercheurs de tester l’exactitude des dernières méthodes de microscopie à super-résolution avec une résolution sans précédent sur une biomolécule cellulaire précisément définie.

Markus Sauer s’enthousiasme : « La capacité d’analyser des structures biologiques réelles à un niveau inférieur à 10 nm représente une nouvelle ère dans l’imagerie biologique. Par rapport aux macromolécules synthétiques utilisées précédemment, nos PicoRulers ne sont pas seulement biocompatibles. Ils offrent également une précision inégalée pour tester la précision sous conditions réalistes.

Ouvrir la porte à l’étude de processus complexes dans les cellules

L’application de cette technologie s’étend au-delà des frontières traditionnelles de la microscopie. «Nos PicoRulers ne sont pas seulement un outil permettant d’effectuer des mesures plus précises, mais elles ouvrent également la porte à une étude plus approfondie et plus détaillée des processus complexes qui se produisent à l’intérieur de nos cellules», explique Gertie Bilyeu.

Évaluation photophysique des PicoRulers basés sur PCNA et de l’origami ADN. a, b) Images dSTORM sélectionnées de PicoRulers triplement marqués (DOL ≈ 3,0) et (b) d’origami d’ADN (DOL ≈ 3,0) avec des distances interfluorophores de 6 nm, ainsi que leurs échantillons de référence à marquage unique (réf). Alors que chaque origami d’ADN contient un seul fluorophore, l’échantillon de référence PCNA affiche un DOL ≈0,4 et contient donc également des molécules PCNA non marquées et doublement marquées (taille de pixel 2 nm). Barres d’échelle, 10 nm. c) Occurrence relative des durées de vie OFF, nombre d’états (événements) détectés à partir de PicoRulers individuels dans les expériences dSTORM et nombre d’événements (localisations) détectés par image en fonction du temps (analyse d’empreintes digitales). d) Images FLIM de PicoRulers marqués H-Tet-Cy5 (la référence étiquetée individuellement est affichée en gris et un PicoRuler mesuré par triple-clic est affiché dans une boîte magenta) par imagerie confocale TCSPC dans un tampon de photo-commutation à une intensité d’irradiation de ≈ 2,5 kW cm−2. Pour minimiser le photoblanchiment du fluorophore, les images FLIM ont été enregistrées avec un temps d’intégration de 25 µs pour chaque pixel. Aucun seuil de gravité n’a été appliqué. Barres d’échelle, 2 μm. E) Désintégrations moyennes de fluorescence des PCNA PicoRulers étiquetés avec un (gris) ou trois (violets) fluorophores Cy5. f) Rapports Nc/Nl,av déterminés pour les molécules PCNA de référence à marquage unique et les PicoRulers à triple marquage dans des expériences de résistance à la collecte de photons (n ​​= 13) – Matériaux avancés.

Fort potentiel pour de futures applications

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Le développement ultérieur des PicoRulers pourrait modifier à long terme l’imagerie biologique et médicale avec une résolution moléculaire. Pour la première fois, il est devenu possible de valider et d’améliorer le potentiel de résolution de nouvelles méthodes de microscopie à super-résolution sur des échantillons biologiques. Cela en fait un outil précieux pour élucider l’organisation moléculaire et l’interaction des biomolécules dans les cellules à l’avenir.

PCNA en tant que nanoéchelle à base de protéines pour l’imagerie par fluorescence inférieure à 10 nmMatériaux avancés (accès libre)

Astrobiologie

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Le rover Perseverance observe la pale de rotor remorquée d'un hélicoptère Ingenuity à la surface de Mars (photos)

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Le rover Perseverance observe la pale de rotor remorquée d'un hélicoptère Ingenuity à la surface de Mars (photos)

La lame était cassée, toujours non forgée, et a été retrouvée sur Mars.

Des passionnés de l'espace examinant des images brutes du rover Perseverance de la NASA ont récemment découvert la pale d'hélicoptère cassée d'Ingenuity gisant dans le sable martien. Ingenuity a été définitivement cloué au sol à la suite de l'accident de perte de pale, un atterrissage difficile survenu à la fin de son vol le 18 janvier.

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L'épaisseur de la croûte de glace révèle la température de l'eau sur les mondes océaniques

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Les astrobiologistes de l'Université Cornell ont mis au point une nouvelle façon de déterminer la température des océans sur des mondes lointains en fonction de l'épaisseur de leurs coquilles de glace, réalisant ainsi efficacement une océanographie depuis l'espace.

Les données disponibles montrant la variation de l'épaisseur de la glace permettent déjà de prédire la partie supérieure de l'océan d'Encelade, l'une des lunes de Saturne, et l'étude orbitale prévue par la NASA sur la croûte glacée d'Europe devrait faire de même pour la lune jovienne, beaucoup plus grande, renforçant ainsi les conclusions de la mission quant à savoir si elle pourrait soutenir la vie. .

Les chercheurs suggèrent qu'un processus appelé « pompage de glace », qu'ils ont observé sous les plates-formes de glace de l'Antarctique, a probablement formé la face inférieure des coquilles glacées d'Europe et d'Encelade, mais doit également être à l'œuvre sur Ganymède et Titan, qui sont de grandes lunes de Jupiter et Saturne. successivement. Ils ont montré que les plages de températures dans lesquelles la glace et les océans interagissent – ​​des régions importantes où des composants de la vie peuvent être échangés – peuvent être calculées en fonction de la pente de la croûte de glace et des changements du point de congélation de l’eau à différentes pressions et salinités.

« Si nous pouvons mesurer le changement d'épaisseur de ces coquilles de glace, nous pourrons obtenir des contraintes de température dans les océans, ce qu'il n'y a pas d'autre moyen de faire sans les percer », a déclaré Brittney Schmidt, professeur adjoint d'astronomie et d'astrophysique. . Sciences de la Terre et de l'atmosphère. « Cela nous donne un autre outil pour essayer de comprendre le fonctionnement de ces océans. La grande question est : les choses y vivent-elles, ou peuvent-elles y vivre ? »

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Avec les membres actuels et anciens du Planetary Habitability and Technology Laboratory, Schmidt a co-écrit le livre « Ice-Ocean Interactions on Ocean Worlds Affecting the Topography of Ice Shells », publié dans la revue Journal de recherche géophysique : Planètes.

En 2019, à l'aide du robot télécommandé Icefin, l'équipe de Schmidt a observé de la glace pompée dans une fissure au fond de la plate-forme de glace de Ross, en Antarctique.

Les chercheurs ont cartographié les plages d'épaisseur, de pression et de salinité possibles de la croûte pour les mondes océaniques avec une gravité variable, et ont conclu que le pompage de glace se produirait dans les scénarios les plus probables, mais pas dans tous les scénarios. Ils ont découvert que les interactions entre la glace et les océans sur Europe pourraient être similaires à celles observées sous la plate-forme de glace de Ross, preuve que ces régions pourraient être parmi les plus semblables à la Terre sur des mondes extraterrestres, a déclaré Justin Lawrence, chercheur invité au Cornell Center. . d'astrophysique et de sciences planétaires et responsable de programme chez Honeybee Robotics.

La sonde Cassini de la NASA a produit suffisamment de données pour prédire la plage de température de l'océan d'Encelade, en fonction de l'inclinaison de sa croûte de glace des pôles à l'équateur : -1 095°C à -1 272°C. Connaître les températures permet de comprendre comment la chaleur circule dans les océans et comment elle se propage, affectant l'habitabilité.

Les chercheurs s'attendent à ce que le pompage de glace soit faible sur Encelade, une petite lune (aussi large que l'Arizona) avec une topographie spectaculaire, tandis que sur Europe plus grande – qui a à peu près la taille de la lune terrestre – ils s'attendent à ce qu'il fonctionne rapidement pour ramollir et aplatir la croûte glacée. . un socle.

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Ce travail montre comment la recherche sur le changement climatique sur Terre peut également bénéficier à la science planétaire, a déclaré Schmidt, c'est pourquoi la NASA a soutenu le développement d'ICEVEN.

« Il existe une relation entre la forme de la croûte de glace et la température de l'océan », a déclaré Schmidt. « C'est une nouvelle façon d'obtenir plus d'informations à partir des mesures de la croûte de glace que nous espérons pouvoir obtenir pour Europe et d'autres mondes. »

La recherche a été soutenue par les futurs chercheurs du programme FIESST (Earth and Space Science and Technology) de la NASA et par la National Science Foundation.

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Les astronomes découvrent un nouveau lien entre l'eau et la formation planétaire

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Les astronomes ont découvert de l'eau dans le disque entourant une jeune étoile où des planètes pourraient se former, révélant un nouveau lien entre l'ingrédient clé de la vie et la formation des planètes.

Jusqu’à présent, les chercheurs n’étaient pas en mesure de cartographier la façon dont l’eau est distribuée dans un disque stable et froid, le type de disque qui offre les meilleures conditions pour que les planètes se forment autour des étoiles.

Les observations, réalisées avec le grand télescope millimétrique/submillimétrique d'Atacama (ALMA), ont révélé au moins trois fois la quantité d'eau trouvée dans tous les océans de la Terre dans le disque interne de la jeune étoile semblable au soleil HL Tauri, située à 450 mètres d'altitude. dans des années. Loin de la Terre dans la constellation du Taureau.

« Je n'aurais jamais imaginé que nous pourrions capturer une image d'océans de vapeur d'eau dans la même région où la planète était susceptible de se former », a déclaré Stefano Facchini, astronome à l'Université de Milan en Italie, qui a dirigé l'étude.

Il a ajouté : « Nos résultats montrent comment la présence d'eau peut affecter l'évolution d'un système planétaire, tout comme cela s'est produit il y a environ 4,5 milliards d'années dans notre système solaire. »

« Il est vraiment remarquable que nous puissions non seulement détecter, mais aussi capturer des images détaillées et résoudre spatialement la vapeur d'eau à une distance de 450 années-lumière de la Terre », a déclaré le co-auteur Leonardo Testi, astronome à l'Université de Bologne en Italie. . nous. »

Les observations réalisées par ALMA, dont l'Observatoire européen austral (ESO) est partenaire, permettent aux astronomes de déterminer la répartition de l'eau dans différentes régions du disque.

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Selon l'étude publiée dans la revue Nature Astronomy, une grande quantité d'eau a été trouvée dans la région où se trouve une lacune connue dans le disque de HL Tauri.

Les chercheurs affirment que cela indique que la vapeur d’eau peut affecter la composition chimique des planètes qui se forment dans ces régions.

« C'est vraiment excitant de voir de première main, sur l'image, des molécules d'eau libérées par des particules de poussière glacée », a déclaré Elizabeth Humphreys, astronome à l'ESO qui a également participé à l'étude.

Les grains de poussière qui composent le disque sont les graines de la formation planétaire, entrant en collision et se collant pour former des objets plus gros.

Les astronomes pensent que lorsqu’il fait suffisamment froid pour que l’eau gèle et se transforme en particules de poussière, les objets se collent mieux les uns aux autres, créant ainsi l’endroit idéal pour la formation des planètes.

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