Microscopie électronique et ultrastructure

La microscopie électronique utilise un faisceau d'électrons plutôt que la lumière visible pour visualiser les échantillons, et parce que les électrons ont une longueur d'onde bien plus courte que la lumière, elle permet de résoudre des détails cellulaires bien en deçà de la limite de diffraction du microscope optique. C'est la technique qui a révélé l'ultrastructure cellulaire — la fine architecture des organites et des membranes — et demeure la modalité de référence pour l'étude des plus petites caractéristiques de la cellule.

Definition

La microscopie électronique est une forme de microscopie dans laquelle un faisceau d'électrons, focalisé par des lentilles électromagnétiques, est utilisé pour former une image agrandie ; appliquée aux cellules, elle permet de résoudre l'ultrastructure — la fine organisation interne des membranes et des organites en deçà de la résolution de la microscopie optique.

Scope

Cet article couvre les principes de l'imagerie électro-optique, la préparation des échantillons (fixation, inclusion, coupe, coloration aux métaux lourds) nécessaire pour visualiser les cellules, et les détails ultrastructuraux que la méthode révèle. Il traite de la microscopie électronique comme d'une méthode d'imagerie en biologie cellulaire et non comme une instruction clinique.

Core questions

• Pourquoi un faisceau d'électrons permet-il de résoudre plus de détails que la lumière visible ?
• Comment les cellules doivent-elles être fixées, incluses et colorées pour être imagées ?
• Quelles caractéristiques ultrastructurales ne deviennent visibles qu'en microscopie électronique ?
• Quels artefacts de préparation peuvent déformer la structure apparente ?

Key concepts

• Imagerie par faisceau d'électrons
• Résolution en deçà de la limite de diffraction de la lumière
• Fixation chimique
• Coloration aux métaux lourds et densité électronique
• Coupe ultrafine
• Modes de transmission versus balayage
• Cryo-microscopie électronique d'échantillons vitrifiés
• Artefacts de préparation

Mechanisms

Étant donné que le pouvoir de résolution d'un microscope s'améliore à mesure que la longueur d'onde du rayonnement illuminant diminue, la très courte longueur d'onde des électrons accélérés permet au microscope électronique de résoudre l'ultrastructure à l'échelle nanométrique. Les cellules doivent être rendues visibles et stables dans l'instrument : la fixation chimique préserve la structure, la fixation à l'aldéhyde introduite par Sabatini et ses collègues offrant une bonne préservation de l'ultrastructure et de l'activité enzymatique, tandis que les colorations aux métaux lourds fournissent la densité électronique qui produit le contraste. Les travaux de Palade sur la fixation et la structure fine mitochondriale illustrent comment une préparation minutieuse a rendu l'architecture des organites interprétable. La cryo-microscopie électronique, développée par Dubochet et ses collègues, vitrifie plutôt les échantillons pour les imager dans un état hydraté quasi-natif et évite de nombreux artefacts de coloration et de déshydratation.

Clinical relevance

La microscopie électronique soutient la pathologie ultrastructurale diagnostique — par exemple dans l'interprétation des biopsies rénales et l'étude des cils et des virus — et éclaire la recherche sur les mécanismes des maladies. Cet article décrit comment les images ultrastructurales sont produites et interprétées ; il est à visée éducative et de référence, et non une base pour des décisions diagnostiques ou thérapeutiques individuelles.

History

Le microscope électronique, développé dans les années 1930, a été appliqué à la cellule au milieu du siècle et a rapidement transformé la biologie cellulaire. Les études de Palade au début des années 1950 sur la fixation et la structure mitochondriale ont établi comment préparer et interpréter les échantillons cellulaires, la fixation à l'aldéhyde (Sabatini, 1963) a amélioré la préservation structurelle et enzymatique, et l'introduction de la cryo-microscopie électronique (Dubochet, 1988) a ensuite permis l'imagerie de matériel biologique dans un état vitrifié, quasi-natif.

Debates

Dans quelle mesure un échantillon fixé, coloré et coupé représente-t-il fidèlement la cellule vivante ?

La préparation conventionnelle implique la fixation, la déshydratation, l'inclusion et la coloration aux métaux lourds, chacune de ces étapes pouvant introduire des artefacts ; les cryo-méthodes qui vitrifient les échantillons hydratés ont été développées en partie pour imager la structure plus proche de son état natif.

Key figures

• George Palade
• David Sabatini
• Jacques Dubochet

Seminal works

• palade-1952
• palade-1953
• sabatini-1963
• dubochet-1988

Frequently asked questions

Pourquoi le microscope électronique peut-il voir des organites que le microscope optique ne peut pas ?

Les électrons ont une longueur d'onde bien plus courte que la lumière visible, et la résolution s'améliore à mesure que la longueur d'onde diminue, ainsi le microscope électronique résout l'ultrastructure à l'échelle nanométrique qui se situe en deçà de la limite de diffraction de la lumière.

Pourquoi les cellules doivent-elles être spécialement préparées pour la microscopie électronique ?

Les échantillons doivent être fixés, inclus, coupés en sections ultrafines et colorés avec des métaux lourds pour assurer la stabilité et le contraste dans le faisceau d'électrons ; alternativement, les cryo-méthodes vitrifient l'échantillon pour préserver un état hydraté quasi-natif.