C’est comme si un nouveau monde s’était ouvert devant les yeux des scientifiques. Une technique de microscopie innovante, mise au point à l’Université de Genève, a en effet permis de révéler pour la première fois la structure interne d’espèces unicellulaires planctoniques pourtant bien connues. Une avancée présentée dans un article paru le 31 octobre dans Cell, par les équipes d’Omaya Dudin, professeur assistant au Département de biochimie, de Virginie Hamel et Paul Guichard, respectivement maître d’enseignement et de recherche et professeur associé au Département de biologie moléculaire et cellulaire.

Le plancton représente une vaste communauté d’organismes microscopiques qui joue le rôle de moteur des écosystèmes marins. Il produit de l’oxygène et constitue la base de la chaîne alimentaire océanique. Il est aussi incroyablement diversifié, avec des dizaines de milliers d’espèces décrites à ce jour et bien d’autres encore qui restent à découvrir. Parmi elles se trouvent les eucaryotes (cellules dotées d’un noyau) microbiens marins qui font précisément l’objet de cette étude.

Plus de 200 espèces ont été choisies dans les vastes collections de micro-organismes détenues par des stations de recherche marine sur la côte atlantique (à Roscoff en France et au Pays basque espagnol). Celles-ci ont été visitées dans le cadre de l’expédition Traversing European Coastlines (TREC) menée par le Laboratoire européen de biologie moléculaire (EMBL) afin d’explorer la biodiversité côtière et à laquelle certains membres des équipes genevoises ont participé.

Dilatation des échantillon

Ces unicellulaires ont été soumis à une méthode de microscopie à haute résolution récemment développée par le laboratoire de Virginie Hamel et Paul Guichard et présentée en 2018 dans Nature Methods. Baptisée «Ultrastructure Expansion Microscopy» (U-ExM), cette technique consiste, dans un premier temps, à chauffer les échantillons biologiques afin de casser les liaisons qui tiennent les protéines ensemble tout en conservant intacte la structure des protéines elles-mêmes, puis à les plonger dans un hydrogel transparent, à base d’acrylate de sodium – que l’on retrouve également dans les couches-culottes pour bébés. En y ajoutant de l’eau, que le gel absorbe avec une efficacité redoutable, la distance entre les protéines augmente et la structure interne des cellules se dilate proportionnellement dans toutes les directions. Cette technique permet d’explorer l’organisation interne des cellules et de contourner les obstacles liés à la paroi cellulaire, rendant visibles des détails jusque-là inaccessibles. Cette microscopie à expansion offre un grossissement de 4 à 16 fois (si on effectue l’opération  1 ou 2 fois) de l’échantillon biologique.

Dans l’étude présente, qui fait office de preuve de principe, les protéines d’intérêt ont été marquées avec des molécules fluorescentes afin d’être visualisées à l’aide d’une microscopie optique classique. L’ensemble du protocole expérimental permet de dépasser les limites standards de résolution de la lumière et ouvre ainsi une nouvelle fenêtre sur l’architecture cellulaire.

Les scientifiques se sont concentré-es sur les microtubules et les centrines, éléments clés du squelette cellulaire qui déterminent la forme, le mouvement et la division de ces micro-organismes. Cette approche a permis de cartographier l’organisation de ces structures cellulaires et d’émettre des hypothèses évolutives sur leur diversification. En effectuant cette analyse sur plus de 200 espèces, les scientifiques genevois-es ont mené l’une des études les plus vastes sur la diversité du cytosquelette chez les eucaryotes planctoniques. Un travail qui ouvre la voie à un atlas planétaire et à haute résolution de la diversité cellulaire du plancton, reliant de manière inédite les données génomiques à la physiologie cellulaire.