Rigidified and modular wireframe DNA nanotubes as nanorulers to validate super resolution imaging techniques

Pour voir le monde invisible à l'intérieur d'une cellule vivante, les scientifiques ont développé des microscopes capables de résoudre des détails bien plus petits que la longueur d'onde de la lumière. Ces techniques de super-résolution fonctionnent en allumant et en éteignant des molécules fluorescentes individuelles, en capturant leurs positions une par une, puis en les assemblant pour former une image nette. Cependant, pour faire confiance à ces images, les chercheurs ont besoin d'une règle standard pour vérifier si leurs instruments mesurent correctement. Tout comme un charpentier a besoin d'une règle droite pour vérifier la coupe d'une scie, un scientifique a besoin d'une structure de forme connue et précise pour tester si son microscope voit la vérité. Pendant des années, la création d'une telle règle a été difficile car les matériaux utilisés étaient soit trop souples, soit trop difficiles à construire, soit trop complexes à marquer de manière cohérente.

Une équipe de chercheurs de l'Université McGill et du Laboratoire Européen de Biologie Moléculaire a maintenant créé un nouveau type de règle entièrement faite d'ADN. Ils ont conçu un tube creux et rigide construit à partir de seulement quatre ou cinq courts brins d'ADN. Cette structure, qu'ils appellent nanotube d'ADN à structure en treillis (wireframe), est conçue pour être exceptionnellement rigide et parfaitement symétrique. En assemblant ces tubes et leurs segments individuels plus petits, l'équipe a produit un outil capable de vérifier la précision des systèmes d'imagerie les plus avancés, y compris une technologie de pointe appelée MINFLUX. Leurs travaux démontrent que ces tubes d'ADN sont non seulement faciles à fabriquer, mais qu'ils conservent leur forme avec une telle précision qu'ils peuvent mesurer des distances aussi petites que sept nanomètres, fournissant ainsi un étalon fiable pour l'avenir de l'imagerie nanoscopique.

Le défi dans ce domaine est que de nombreux standards existants sont défectueux. Certains sont faits de protéines qui peuvent se déformer, tandis que d'autres sont construits à l'aide de méthodes complexes qui les rendent coûteuses et difficiles à reproduire. Si une règle se courbe ou si les marqueurs qui y sont attachés sont lâches, les mesures prises par le microscope seront fausses. Les chercheurs ont voulu résoudre ce problème en créant une structure simple à assembler, incroyablement rigide et facile à marquer. Ils se sont tournés vers un design connu sous le nom de nanotube à structure en treillis. Imaginez un échafaudage fait de poteaux fins ; dans ce cas, les poteaux sont des brins d'ADN. L'équipe a utilisé un motif spécifique où ces brins se croisent pour former un tube creux et solide. Ils ont construit des versions avec des sections transversales triangulaires, carrées et pentagonales, toutes fabriquées à partir du même petit ensemble de pièces d'ADN.

Pour rendre ces tubes utiles à l'imagerie, les chercheurs ont attaché de minuscules sites d'amarrage le long des parois du tube. Ces sites agissent comme des plateformes d'atterrissage pour de courts brins d'ADN fluorescents qui flottent dans le liquide entourant l'échantillon. Lorsqu'un brin fluorescent atterrit sur un site d'amarrage, il brille brièvement avant de s'éloigner, permettant au microscope d'enregistrer sa position exacte. Comme les sites d'amarrage sont construits directement dans les brins d'ADN qui forment le tube, les marqueurs fluorescents se trouvent exactement là où ils sont censés être, sans aucun connecteur lâche qui pourrait fausser la mesure. L'équipe a également ajouté une étiquette collante à une extrémité du tube pour qu'il s'attache fermement à une lame de verre, garantissant que la structure reste immobile pendant le processus d'imagerie.

Le premier test consistait à voir si les tubes étaient assez rigides pour servir de règle. Les chercheurs ont utilisé une technique de super-résolution standard pour cartographier les positions des marqueurs fluorescents le long de la longueur des tubes. Ils ont constaté que les tubes étaient remarquablement droits, résistant à la tendance naturelle de l'ADN à se courber et à se tordre. En analysant la forme de centaines de ces tubes, ils ont calculé une mesure de la rigidité appelée longueur de persistance, qui s'est avérée être d'environ 1,6 micromètre. Cela signifie que les tubes sont environ trente à quarante fois plus rigides qu'une hélice d'ADN double brin standard, ce qui en fait parmi les structures d'ADN les plus rigides jamais rapportées. Cette rigidité a confirmé que les tubes ne se déformeraient pas sous la pression du microscope, offrant une référence stable pour les mesures.

Ensuite, l'équipe a poussé la technologie plus loin en utilisant une méthode d'imagerie plus puissante appelée DNA-PAINT MINFLUX. Cette technique utilise un faisceau laser en forme de donut pour localiser la position d'une seule molécule avec une précision extrême, en utilisant beaucoup moins de particules de lumière que les méthodes traditionnelles. Lorsqu'ils ont imagé les tubes d'ADN avec ce système, les résultats ont été frappants. Le microscope pouvait clairement distinguer les segments individuels, ou « barreaux », qui composaient le tube. Les chercheurs ont mesuré la distance entre ces barreaux et ont trouvé qu'ils étaient espacés de 13 à 14 nanomètres, une valeur qui correspondait à la conception théorique et aux mesures précédentes effectuées avec des microscopes électroniques. Cela a confirmé que les tubes étaient non seulement rigides, mais aussi assemblés avec une précision géométrique parfaite.

L'étude a également examiné les segments individuels du tube, appelés barreaux, qui pouvaient être isolés et imagés séparément. Ces pièces plus petites offraient l'occasion de tester la capacité du microscope à mesurer des distances encore plus courtes. Les chercheurs ont constaté qu'au sein d'un seul barreau, les marqueurs fluorescents étaient espacés d'environ 7 à 8 nanomètres. Dans de nombreux cas, le microscope pouvait résoudre ces minuscules écarts parfaitement, correspondant à la conception prévue. Cependant, ils ont également observé que, parfois, les marqueurs apparaissaient déformés ou manquants. En analysant soigneusement les données, ils ont déterminé que ces erreurs n'étaient pas dues au fait que la structure d'ADN elle-même était défectueuse. Au contraire, les marqueurs manquants étaient probablement causés par la surface à laquelle le tube était attaché, ou par l'intensité de la lumière du microscope endommageant les sites d'amarrage au fil du temps. Cette distinction était cruciale, car elle prouvait que la règle d'ADN elle-même était saine, et que les erreurs provenaient des conditions expérimentales.

Les chercheurs ont conclu que ces nanotubes d'ADN à structure en treillis sont un outil polyvalent et robuste pour calibrer les microscopes de super-résolution. Ils sont faciles à construire, ne nécessitant qu'un simple processus de chauffage et de refroidissement pour assembler les brins. Ils sont compatibles avec différents types de colorants fluorescents et peuvent être imagés à l'aide de diverses configurations de microscopes. Plus important encore, ils fournissent un standard rigide et fiable capable de mesurer des distances à deux échelles différentes : l'espacement de 13 à 14 nanomètres entre les segments du tube et l'espacement de 7 à 8 nanomètres au sein d'un seul segment. En offrant une référence simple, reproductible et hautement précise, ces nanotubes d'ADN permettent aux scientifiques de faire plus confiance à leurs images que jamais, garantissant que les détails infimes qu'ils voient dans le monde biologique sont réels.