Literatura científica selecionada sobre o tema "Cryo-microscopie électronique et tomographie"

La plupart des techniques d’imagerie cellulaire, telles que la microscopie photonique ou la microscopie électronique, nécessitent que l’échantillon biologique soit préalablement fixé par des agents chimiques, une étape qui est connue pour endommager l’organisation sub-cellulaire. Pour pallier à ce problème, la cryo-fixation, inventée il y a plus de 40 ans, consiste à vitrifier les échantillons biologiques afin de préserver leur état natif. Cette méthode n’avait cependant été que très peu utilisée en microscopie photonique. Dans cette revue, nous présentons en détail la microscopie d’expansion, une technique de super-résolution développée récemment et qui, couplée à la cryo-fixation, permet de visualiser l’architecture cellulaire au plus près de son état natif.

La cryo-microscopie électronique (cryo-EM) est une technique d’imagerie du vivant qui prend désormais une place prépondérante en biologie structurale, avec des retombées en biologie cellulaire et du développement, en bioinformatique, en biomédecine ou en physique de la cellule. Elle permet de déterminer des structures de protéines purifiées in vitro ou au sein des cellules. Cette revue décrit les principales avancées récentes de la cryo-EM, illustrées par des exemples d’élucidation de structures de protéines d’intérêt en biomédecine, et les pistes de développements futurs.

mTORC1 est un acteur central de la croissance cellulaire, un processus étroitement régulé par la disponibilité de nutriments et qui contrôle diverses étapes du métabolisme dans la cellule normale et au cours de maladies, comme les cancers. mTORC1 est un complexe multiprotéique de grande taille constitué de nombreuses sous-unités, parmi lesquelles deux types de GTPases, Rag et RheB, contrôlent directement sa localisation membranaire et son activité kinase. Dans cette revue, nous faisons le point sur une moisson de structures récentes, déterminées pour la plupart par cryo-microscopie électronique, qui sont en passe de reconstituer le puzzle de l’architecture de mTORC1. Nous discutons ce que ces structures révèlent sur le rôle des GTPases, et ce que leur connaissance ouvre comme perspectives pour comprendre comment mTORC1 fonctionne à la membrane du lysosome.

L’isolement de l’insuline du pancréas et sa purification à un degré suffisant pour permettre son administration à des patients atteints de diabète de type 1 furent accomplis il y a 100 ans à l’Université de Toronto par Banting, Best, Collip et McLeod et représentent sans conteste une des plus grandes révolutions thérapeutiques en médecine, reconnue par l’attribution du Prix Nobel de Physiologie ou Médecine en 1923 à Banting et McLeod. Les retombées cliniques furent rapides ainsi que l’internationalisation de sa production commerciale. Les retombées en matière de recherche fondamentale furent beaucoup plus lentes, en particulier en ce qui concerne les mécanismes moléculaires d’action de l’insuline sur ses cellules cibles. Presque un demi-siècle s’écoula avant la détermination de la structure tri-dimensionnelle de l’insuline en 1969 et la caractérisation de son récepteur cellulaire en 1970–1971. Le fait que le récepteur de l’insuline soit une enzyme appelée tyrosine kinase ne fut démontré que dans les années 1982–1985, et la structure cristallographique du domaine kinase intracellulaire fut déterminée dix ans plus tard. La structure cristallographique du premier substrat intracellulaire de la kinase (IRS-1) en 1991 ouvrira la voie à l’élucidation des voies de signalisation intracellulaires. Il faudra 15 ans de plus avant l’obtention de la structure cristallographique du domaine extracellulaire du récepteur (en l’absence d’insuline) en 2006. Depuis, la détermination de la structure du complexe insuline-récepteur dans les états inactif et activé a fait d’énormes progrès, en particulier grâce aux améliorations récentes dans les pouvoirs de résolution de la cryo-microscopie électronique. Je passerai ici en revue les étapes du développement du concept de récepteur hormonal, et de nos connaissances sur la structure et le mécanisme moléculaire d’activation du récepteur de l’insuline.

Le travail présenté dans ce manuscrit a montré l’importance du développement méthodologique et technique pour identifier et débloquer les verrous empêchant l’analyse de matériaux hybrides et complexes qui se dégradent sous irradiation par un faisceau d’électrons. Nous avons mis en évidence que des dégâts sur l’échantillon produits par les électrons n’apparaissent qu’au-dessus d'un certain seuil de densité de courant électronique qui dépend de la nature du matériau et de ses caractéristiques morphologiques et structurales. Ces développements couplés à la Cryo-EM, nous ont permis de mettre en évidence l’architecture des matériaux hybrides à base de carbone, la variation de la distance lamellaire dans une pérovskite en fonction de la molécule insérée et le positionnement du métal, d’identifier les interactions à l’interface entre deux cristaux moléculaires et la quantification 3D de la fonctionnalisation d’un MOF. Dans la dernière partie, nous avons mis en évidence les processus de nucléation et de croissance d’oxyde de fer par MET in-situ en phase liquide
The present manuscript shows the importance of methodological and technical development to identify and to unblock locks preventing the analysis of hybrid and complex materials that undergo degradation under electron beam irradiation. We have shown that beam-induced damage to the sample only appears above some specific threshold of current density. Such a threshold depends on the nature of the material and on its morphological and structural characteristics. These developments in synergy with the use of Cryo-EM, allowed us to expose the architecture of carbon-based hybrid materials, measure the variation of the lamellar distance in a perovskite according to the molecular spacer and to the positioning of the metal, identify the interactions at the interface between two molecular crystals, and the 3D quantification of the functionalization within a MOF. Lastly, we brought to light the processes of nucleation and growth of iron oxide by in-situ liquid phase TEM

Ce travail de thèse s’inscrit dans le cadre du projet ISS/FSL/FASES dont l’objectif est de comprendre les mécanismes de vieillissement des émulsions en microgravité. Ce manuscrit est dédié à l’étude au sol des émulsions de ce projet et notamment de celles stabilisées par des mélanges tensioactifs/nanoparticules. Ces émulsions sont diluées et constituées d’une phase continue d’huile de paraffine et d’une phase dispersée aqueuse contenant un tensioactif et des nanoparticules. Leur étude et leur caractérisation est réalisée par microscopie tomographique optique et cryo-microscopie électronique à balayage. Une étude préalable de la phase dispersée permet de démontrer que les proportions respectives en tensioactif et nanoparticules modifient les propriétés rhéologiques et microscopiques de ces mélanges. Ces modifications permettent de caractériser le couplage entre les molécules tensioactives et les nanoparticules. Lorsque cette phase dispersée est émulsifiée dans l’huile de paraffine, une transition dans la morphologie des gouttes peut être mise en évidence. Les gouttes de phase dispersée présentent une topologie dépendante du ratio des concentrations en tensioactif et nanoparticules : de sphérique (pour les grandes valeurs de ce ratio) elles deviennent polymorphes (pour les petites valeurs). L’observation de ces émulsions en cryo-microscopie électronique à balayage permet de visualiser des microstructures de nanoparticules et d’expliquer l’origine de la déformation des gouttes
This thesis is part of the ISS/FSL/FASES project which aims at understanding emulsion ageing mechanisms in microgravity. This manuscript is dedicated to the ground study of these emulsions, and particularly to those stabilized by surfactant/nanoparticles mixtures. These emulsions are diluted and composed of a paraffin oil continuous phase and an aqueous dispersed phase composed of the surfactant/particle mixtures. Emulsion characterization is performed with optical tomographic microscopy and cryo-scanning electron microscopy. A preliminary investigation of the dispersed phase shows that the proportion of surfactant and nanoparticles changes the rheological and microscopic properties of these mixtures. These changes allow the characterization of the coupling between surfactant molecules and nanoparticles. When these mixtures are emulsified in paraffin oil, a transition in the droplets morphology is evidenced. Indeed, dispersed phase droplets exhibit different shapes depending on the ratio of surfactant and nanoparticle concentrations: from spherical (for high ratios) they become polymorphous (for small ratios). Observations of these emulsions with cryo-scanning electron microscopy show the existence of nanoparticles microstructures that helps the understanding of the origin of droplets deformation

Ce travail de thèse s’inscrit dans le cadre du projet ISS/FSL/FASES dont l’objectif est de comprendre les mécanismes de vieillissement des émulsions en microgravité. Ce manuscrit est dédié à l’étude au sol des émulsions de ce projet et notamment de celles stabilisées par des mélanges tensioactifs/nanoparticules. Ces émulsions sont diluées et constituées d’une phase continue d’huile de paraffine et d’une phase dispersée aqueuse contenant un tensioactif et des nanoparticules. Leur étude et leur caractérisation est réalisée par microscopie tomographique optique et cryo-microscopie électronique à balayage. Une étude préalable de la phase dispersée permet de démontrer que les proportions respectives en tensioactif et nanoparticules modifient les propriétés rhéologiques et microscopiques de ces mélanges. Ces modifications permettent de caractériser le couplage entre les molécules tensioactives et les nanoparticules. Lorsque cette phase dispersée est émulsifiée dans l’huile de paraffine, une transition dans la morphologie des gouttes peut être mise en évidence. Les gouttes de phase dispersée présentent une topologie dépendante du ratio des concentrations en tensioactif et nanoparticules : de sphérique (pour les grandes valeurs de ce ratio) elles deviennent polymorphes (pour les petites valeurs). L’observation de ces émulsions en cryo-microscopie électronique à balayage permet de visualiser des microstructures de nanoparticules et d’expliquer l’origine de la déformation des gouttes
This thesis is part of the ISS/FSL/FASES project which aims at understanding emulsion ageing mechanisms in microgravity. This manuscript is dedicated to the ground study of these emulsions, and particularly to those stabilized by surfactant/nanoparticles mixtures. These emulsions are diluted and composed of a paraffin oil continuous phase and an aqueous dispersed phase composed of the surfactant/particle mixtures. Emulsion characterization is performed with optical tomographic microscopy and cryo-scanning electron microscopy. A preliminary investigation of the dispersed phase shows that the proportion of surfactant and nanoparticles changes the rheological and microscopic properties of these mixtures. These changes allow the characterization of the coupling between surfactant molecules and nanoparticles. When these mixtures are emulsified in paraffin oil, a transition in the droplets morphology is evidenced. Indeed, dispersed phase droplets exhibit different shapes depending on the ratio of surfactant and nanoparticle concentrations: from spherical (for high ratios) they become polymorphous (for small ratios). Observations of these emulsions with cryo-scanning electron microscopy show the existence of nanoparticles microstructures that helps the understanding of the origin of droplets deformation

La sonde atomique et la microscopie électronique ont été utilisées parallèlement afin d'étudier la microstructure et la composition des joints de grains rectilignes et dentelés d'un superalliage à base nickel Astroloy. Les microanalyses à la sonde atomique ont révélé une ségrégation de bore, molybdène et un peu de carbone aux joints homophases ou hétérophases, dentelés ou rectilignes. Un important enrichissement en chrome est également observé aux joints '/'. La quantification de la ségrégation intergranulaire a pu être réalisée en utilisant la sonde atomique tomographique. L'épaisseur de la zone ségrégée a pu être estimée à environ 5A pour les joints dentelés. Les mécanismes de ségrégation ont été étudiés. En décomposant étape par étape le traitement thermique, nous avons montré que la majeure partie de la ségrégation intergranulaire avait lieu pendant le refroidissement entre 1150°C et 800°C. Concernant la comparaison entre joints rectilignes et joints dentelés, les taux de ségrégation par unité de surface sont les mêmes. Seul un changement dans la répartition spatiale des atomes au joint a été observé. Une étude des interfaces /' et de la composition de la phase dans un superalliage monocristallin (mc2) flué nous a permis de proposer une interprétation de la formation des plaquettes ' sous contrainte

Les agrégats de suie émis par les processus de combustion dans les turbines aéronautiques contribuent à modifier le bilan radiatif de l'atmosphère et la qualité de l'air. La connaissance de leurs caractéristiques physiques et chimiques est indispensable pour évaluer leur rôle dans les processus physico-chimiques atmosphériques et leur impact sur l'environnement et la santé publique. Dans ce contexte, notre étude vise à déterminer la taille et la morphologie d'agrégats de suie aéronautique à partir de mesures expérimentales menées en microscopie électronique en transmission (MET) et en tomographie électronique.Nous avons réalisé des clichés MET d'agrégats de suie émis par des turboréacteurs aéronautiques. Nous avons établi une méthode pour caractériser la morphologie des agrégats en déterminant leur allongement, leur compacité et la tortuosité de leur contour en analysant leur projection. Nous avons également développé un logiciel de traitement et d'analyse des images MET qui permet de reconstruire en 3D un agrégat à partir de ses projections et l'analyse de ses caractéristiques dimensionnelles et morphologiques à partir de sa reconstruction. Les résultats obtenus nous ont permis d'étudier la validité des relations liant les caractéristiques microphysiques 2D et 3D proposées dans la littérature et d'en proposer de nouvelles pour les agrégats étudiés.Ces résultats constituent la première caractérisation morphologique 3D d'agrégats de suie aéronautique à partir d'analyses par MET et tomographie électronique. Ils montrent que les propriétés morphologiques de ces agrégats ne permettent pas d'utiliser la méthode d'ensemble pour déterminer la dimension fractale massique
Soot aggregates emitted by aircraft engines' combustion processes are involved in the modification of the global radiative budget and the air quality. The knowledge of their physical and chemical characteristics is a prerequisite to any evaluation of the way they may act in the atmospheric physical and chemical processes and their impact on the environment and public health. In this context, our study aims at determining the size and morphological characteristics of aircraft soot aggregates on the basis of experimental measurements by transmission electron microscopy (TEM) and electron tomography.We have acquired TEM pictures of soot aggregates emitted by aircraft engines. We have established a method to characterize the morphology of these aggregates by determining their elongation, their compacity and the tortuosity of their edge. This method is based on the analysis of their TEM projection. Besides, we have developed a software to process and analyse TEM pictures. It allows to reconstruct aggregates from their projections and to determine their size and morphological characteristics. Our results have lead us to study the validity of the relationships linking the 2D and 3D microphysical characteristics presented in the literature and to suggest new ones for the studied aggregates.These results constitute the first 3D morphological and size characterizations of aircraft soot aggregates using TEM and electron tomography. They highlight the fact that the morphological properties of these aggregates do not fulfil the hypotheses required for the use of the collective method to determine the mass fractal dimension

L'hétérochromatine constitutive est une forme condensée de chromatine, essentielle au maintien de la stabilité du génome et à la défense contre les rétrotransposons et les rétrovirus endogènes. À l'échelle moléculaire, elle se caractérise par des réseaux réguliers de nucléosomes, la méthylation de l'ADN et des histones et la liaison de protéines spécifiques associées à l'hétérochromatine (famille HP1). Cependant, la manière dont ces caractéristiques moléculaires conduisent à l'état condensé et définissent les propriétés fonctionnelles de l'hétérochromatine constitutive n'est pas encore claire. Le projet abordera cette question en déterminant la structure de l'hétérochromatine constitutive péricentrique directement à l'intérieur de son contenu cellulaire en utilisant la cryotomographie in situ de pointe. Les embryons de drosophile sont utilisés comme modèle expérimental, car dans leurs noyaux, les régions d'hétérochromatine péricentrique coalescent en chromocentres ronds de l'ordre du micron. Nous utilisons la cryosection avec des couteaux diamantés pour l'amincissement de l'échantillon, puis les tomogrammes des chromocentres, ainsi que d'autres domaines de la chromatine, seront enregistrés et reconstruits. Cela nous permettra de définir l'arrangement caractéristique des fibres de nucléosomes pour l'hétérochromatine péricentrique constitutive par comparaison avec l'empaquetage de la chromatine dans d'autres compartiments chromatiniens
Constitutive heterochromatin is a condensed form of chromatin, essential for the maintenance of genome stability and the defense against retrotransposons and endogenous retroviruses. At the molecular scale, it is characterized by regular nucleosome arrays, DNA and histone methylation and binding of specific heterochromatin-associated proteins (HP1 family). However, it remains unclear how these molecular features lead to the condensed state and define the functional properties of constitutive heterochromatin. The project will address this question by determining the structure of pericentric constitutive heterochromatin directly within its cellular content by using state-of-the-art in situ cryo-electron tomography. Drosophila embryos are used as the experimental model, because in their nuclei, the pericentric heterochromatin regions coalesce into round micron-scale chromocenters. We use cryo-sectioning with diamond knives for sample thinning, and then tomograms of chromocenters, as well as other chromatin domains will be recorded and reconstructed. This will enable us to define the characteristic nucleosome fiber arrangement for the constitutive pericentric heterochromatin by comparison with the chromatin packing in other chromatin compartments

Pseudomonas aeruginosa est une bactérie Gram-négative qui présente une grande résistance aux antibiotiques, lui permettant de sévir dans le milieu hospitalier en infectant plus particulièrement les patients immunodéprimés. Cette résistance est principalement due au système d’efflux membranaire MexAB-OprM, capable d’exporter les antibiotiques en dehors de la cellule. Cette pompe à efflux est composée de trois protéines, MexA, MexB et OprM, incorporées dans les membranes internes et externes de la paroi bactérienne. Les structures de MexA, OprM et AcrB -une protéine présente chez E. coli, homologue de MexB- ont été déterminées individuellement par cristallographie des rayons X. Cependant, la structure du complexe entier, regroupant les trois protéines en interaction, ainsi que le mécanisme de cette pompe font toujours défaut. Le renforcement de nos connaissances structurales et fonctionnelles est donc capital pour lutter plus efficacement contre ces bactéries, par de nouvelles stratégies médicamenteuses. Ce travail porte sur l’étude de la structure et de la stœchiométrie de l’assemblage des protéines OprM et MexA au sein d’une membrane lipidique. La caractérisation du complexe OprM/MexA a été réalisée à l’aide de nouvelles techniques de caractérisation physico-chimique des surfaces, telle que la Microbalance à Cristal de Quartz avec Mesure de Dissipation (QCM-D), et par des méthodes d’imagerie, telles que la Cryo-Microscopie Electronique en Transmission (CryoMET) et la Cryo-Tomographie Electronique (CryoTE). En QCM-D, les mesures d’interaction entre OprM et MexA ont été réalisées sur support solide en contrôlant l’orientation d’OprM placée dans un environnement lipidique. Après ajout de la protéine MexA, la formation de complexes OprM/MexA a été mise évidence. Pour comprendre l’organisation de ce complexe, nous avons procédé à une étude comparative de l’organisation des protéines OprM, MexA et du complexe OprM/MexA incorporés dans une membrane lipidique, par CryoMET. Trois types d’organisation, respectivement spécifiques d’OprM, de MexA et du complexe OprM/MexA, ont été mis en évidence. Une analyse structurale de ces trois différents assemblages, pris en sandwich entre deux membranes lipidiques, a été menée par CryoTE. La reconstitution de la protéine OprM conduit à la formation de protéoliposomes, dû à des interactions intervenant entre les protéines OprM au niveau de leurs hélices périplasmiques. La protéine MexA s’organise sous forme d’une structure annulaire de 13 nm de hauteur au sein des membranes lipidiques, et d’une structure plus complexe de 26 nm de hauteur, résultant de l’empilement tête-bêche de deux structures annulaires de 13 nm. Ce travail révèle les dimensions exactes de l’assemblage formé par MexA, et permet de localiser à proximité des membranes les domaines non résolus dans la structure cristallographique. La reconstitution du complexe OprM/MexA révèle une disposition régulière des deux protéines dans les membranes lipidiques. Au sein des complexes, les protéines OprM sont présentes sous forme de trimères. Dans la membrane opposée, à l’aplomb d’une molécule d’OprM, MexA ne forme pas une structure annulaire similaire à celle décrite précédemment, indiquant un état d’oligomérisation différent de celui observé dans les assemblages MexA. Les densités de MexA sont compatibles avec la présence de quelques molécules de MexA. Cependant des structures annulaires de MexA, positionnées à l’aplomb de trois trimères d’OprM sont visibles. Notre étude montre que MexA adopte des structures oligomériques spécifiques en fonction de ses interactions avec les membranes lipidiques ou avec son partenaire OprM
The structure determination of membrane protein in lipid environment can be carried out using cryo electron microscopy combined with the recent development of data collection and image processing. We describe a protocol to study assemblies or stacks of membrane protein reconstitued into a lipid membrane using both cryo electron tomography and single particle analysis which is an alternative approach to electron crystallography for solving 3D structure. We show the organization of the successive layers of OprM molecules revealing the protein-protein interactions between OprM molecules of two successive lipid bilayers

Ce travail porte sur l’automatisation du traitement des données de tomographie électronique analytique appliquée aux nano-dispositifs électroniques. La technique utilisée est la spectroscopie de dispersion en énergie des rayons-X en mode balayage en microscopie électronique en transmission (STEM-EDX : Scanning Transmission Electron Microscopy, Energy Dispersive X-ray spectroscopy). Si la tomographie électronique STEM-EDX a bénéficié d’avancées technologiques récentes, comme de nouvelles sources électroniques ‘X’-FEG (Field Emission Gun) et des détecteurs X sensibles, les SDD (Silicon Drift Detectors), elle reste chronophage avec une statistique de comptage souvent faible pour éviter des durées prohibitives et une dégradation de l’échantillon par irradiation électronique. L’empilement des projections STEM-EDX, acquises sous différents angles d’inclinaison, est par ailleurs très volumineux et les logiciels commerciaux actuels ne peuvent pas le traiter automatiquement et de manière optimale. Pour améliorer cette situation, nous avons développé un programme utilisant la librairie Hyperspy en langage python, dédiée au traitement de données multi-dimensionnelles. L’analyse statistique multivariée permet d’optimiser et d’automatiser le débruitage des données, la calibration des spectres et la séparation des raies d’émission X superposées pour l’obtention de reconstructions tridimensionnelles quantitatives. Une technique de reconstruction avancée, l’acquisition comprimée, a aussi été mise en œuvre, diminuant le nombre de projections sans réduire l’information 3D finale. La méthode développée a été utilisée pour l’analyse chimique 3D de quatre nanostructures issues de la microélectronique : des transistors FET multi-grilles, HEMT et GAA, et un film mince GeTe. Les échantillons ont été taillés en pointe par FIB (Focused Ion Beam: Faisceau d’ions focalisés), et les données obtenues sur un microscope Titan Themis muni d’un système à 4 détecteurs SDD. L’évaluation du programme atteste qu’il permet d’obtenir des résultats précis et fiables sur les architectures 3D étudiées. Des pistes d’améliorations sont discutées en perspective d’un futur logiciel dédié au traitement de données en tomographie électronique analytique
The aim of this thesis is to automate the process of hyperspectral analysis for analytical electron tomography applied to nanodevices. The work presented here is focused on datasets obtained by energy-dispersive X-ray spectroscopy in a scanning transmission electron microscope (STEM-EDX). STEM-EDX tomography has benefited greatly from recent developments in electron sources such as the ‘X’-FEG (Field Emission Gun), and multiple X-ray detector systems such as the Super-X, incorporating four SSD (Silicon Drift Detectors) detectors. The technique remains however very time-consuming, and low X-ray count rates are necessary to minimize the total acquisition time and avoid beam damage during the experiment. In addition, tomographic stacks of STEM-EDX datacubes, acquired at different tilt angles, are too large to be analyzed by commercial software packages in an optimal way. In order to automate this process, we developed a code based on Hyperspy, a Python library for multidimensional data analysis. Multivariate statistical analysis techniques were employed to optimize and automate the denoising, the energy calibration and the separation of overlapping X-ray lines, with the aim to achieve quantitative, chemically sensitive volumes. Moreover, a compressed sensing based algorithm was employed to achieve high fidelity reconstructions with undersampled tomographic datasets. The code developed during this thesis was used for the 3D chemical analysis of four microelectronic nanostructures: FinFET, HEMT and GAA transistors, and a GeTe thin film for memory device applications. The samples were prepared in a needle shape using a focused ion beam, and the data acquisitions were performed using a Titan Themis microscope equipped with a super-X EDX detector system. It is shown that the code yields 3D morphological and chemical information with high accuracy and fidelity. Ways to improve the current methodology are discussed, with future efforts aiming at developing a package dedicated to analytical electron tomography