Séminaire du 23 septembre 2021

Reconstruction de particule unique en microscopie à fluorescence

Thibaut Eloy, stagiaire M2 équipe IMAGeS

Résumé : Les assemblages macromoléculaires, autrement appelés particules biologiques, sont des machines cellulaires impliquées dans de nombreux processus biologiques. La biologie structurale tente de déchiffrer leur structure tridimensionnelle afin d'identifier les protéines les constituant et de comprendre leurs rôles dans les mécanismes cellulaires. La microscopie à fluorescence est la méthode de microscopie optique privilégiée pour l'observation des protéines constitutives de ces particules. Cette technique repose sur l’utilisation de fluorophores, que l'on utilise pour localiser ces protéines. Des fluorophores sont introduits dans l'échantillon et s’attachent aux protéines, elles sont alors dites labellisées. On éclaire ensuite l’échantillon à une certaine longueur d’onde pour exciter les fluorophores, puis lorsqu'ils retournent dans leur état fondamental, ils émettent de la lumière fluorescente. On peut alors localiser les protéines constituant la particule en détectant la lumière émise.

Le développement de méthodes de super-résolution, combinant des techniques optiques avancées et des outils numériques de reconstruction a permis une amélioration considérable de la résolution des images acquises par microscopie à fluorescence. Cependant, ces progrès sont encore freinés par deux limitations majeures :

• anisotropie de résolution : Les images acquises sont tridimensionnelles mais la résolution n'est pas la même dans les 3 dimensions : la résolution dans le plan orthogonal à l'axe microscope (plan orthogonal) est de 3 à 5 fois supérieure à la celle selon la direction du microscope (direction axiale).
• labellisation partielle : les fluorophores ne labellisent pas entièrement et uniformément les protéines : une seule image donne accès à seulement une vue partielle de la particule.

L'anisotropie de résolution et la labellisation partielle sont des limitations physiques intrinsèques au processus d'acquisition. On souhaite contourner ces limitations physiques à l'aide du traitement d'images en développant une méthode de reconstruction de particule isolée. L'idée est de récupérer l'information manquante dans une image en combinant l'information de plusieurs images 3D représentant la même particule observée sous différentes orientations. Plus précisément, au lieu d'observer une seule particule, on acquiert des images contenant un ensemble de réplicats, chacun d'entre eux étant orienté aléatoirement. On cherche alors à reconstruire un volume 3D de la particule originale ayant une résolution isotrope, en combinant les informations des différentes vues. La difficulté majeure du problème est que l’on a pas de connaissance a-priori sur les orientations des vues : elles doivent donc être estimées conjointement au volume.