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Suivi de particules uniques

Le suivi de particules uniques (en anglais Single Particle Tracking ou SPT) est l'observation du mouvement de particules individuelles dans un milieu. La série temporelle de coordonnées, qui peut être en deux dimensions (x, y) ou en trois dimensions (x, y, z), est appelée trajectoire. La trajectoire est généralement analysée à l'aide de méthodes statistiques pour extraire des informations sur la dynamique sous-jacente de la particule[1],[2],[3]. Cette dynamique peut révéler des informations sur le type de transport observé (par exemple thermique ou actif), le milieu dans lequel la particule se déplace et les interactions avec d'autres particules. Dans le cas d'un mouvement aléatoire, l'analyse de trajectoire peut être utilisée pour mesurer le coefficient de diffusion.

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Principe du SPT : Les rectangles représentent les images issues d'une acquisition d'image à des instants t = 0, 1, 2, ... Les particules suivies sont représentées par des cercles rouges, et dans la dernière image, les trajectoires reconstruites sont représentées par des lignes bleues.

En biologie, le suivi de particules uniques est largement utilisé pour quantifier la dynamique des molécules/protéines dans les cellules vivantes (des bactéries, des levures, des cellules de mammifères et des embryons vivants de drosophile )[4],[5],[6],[7]. Il a été largement utilisé pour étudier la dynamique des facteurs de transcription dans les cellules vivantes[8],[9],[10]. Cette méthode a été largement utilisée au cours de la dernière décennie pour comprendre le mécanisme de recherche ciblées des protéines dans les cellules vivantes. Il aborde des questions biologiques fondamentales telles que comment une protéine d’intérêt trouve sa cible dans l’environnement cellulaire complexe ? combien de temps lui faut-il pour trouver son site cible de liaison ? quel est le temps de séjour des protéines qui se lient à l'ADN ? [5] Récemment, la SPT a été utilisée pour étudier la cinétique de la traduction et du traitement des protéines in vivo. Pour les molécules qui se lient à de grandes structures telles que les ribosomes, la SPT peut être utilisée pour extraire des informations sur la cinétique de liaison. Comme la fixation du ribosome augmente la taille effective de petites molécules, leur taux de diffusion diminue lors de la fixation. En modifiant les comportements de diffusions de ces protéines, des mesures directes des événements de liaison sont obtenues[11],[12]. De plus, des particules exogènes sont utilisées comme sondes pour évaluer les propriétés mécaniques du milieu, une technique connue sous le nom de microrhéologie passive[13]. Cette technique a été appliquée pour étudier le mouvement des lipides et des protéines dans les membranes[14], les molécules du noyau [7] et du cytoplasme[15], les organites et leurs molécules[16], les granules lipidiques[17],[18],[19], vésicules et particules introduites dans le cytoplasme ou le noyau. De plus, le SPT a été largement utilisé dans l'étude des bicouches lipidiques reconstituées[20], de la diffusion intermittente entre les phases 3D et 2D (par exemple, une membrane) [21] ou 1D (par exemple, un polymère d'ADN), et réseaux synthétiques d'actine en réseau[22],[23].

Les types de particules les plus couramment utilisés en SPT sont basés soit sur des diffuseurs, tels que des billes de polystyrène ou des nanoparticules d'or qui peuvent être suivies à l'aide d'un éclairage en champ clair, soit sur des particules fluorescentes. Pour les étiquettes fluorescentes, il existe de nombreuses options différentes avec leurs propres avantages et inconvénients, notamment les points quantiques (quantum dots), les protéines fluorescentes, les fluorophores organiques et les colorants cyanine.

Sur le plan fondamental, une fois les images obtenues, le SPT est un processus en deux étapes. D'abord, les particules sont détectées, puis ensuite, ces mêmes molécules sont connectées pour obtenir des trajectoires individuelles.

Outre le suivi des particules en 2D, il existe plusieurs modalités d'imagerie pour le suivi des particules en 3D, notamment la microscopie plane multifocale[24], la microscopie à fonction de dispersion du point double hélice[25], et l'introduction de l'astigmatisme via une lentille cylindrique ou une optique adaptative.

Références modifier

  1. ↑ Metzler, Jeon, Cherstvy et Barkai, « Anomalous diffusion models and their properties: non-stationarity, non-ergodicity, and ageing at the centenary of single particle tracking », Phys. Chem. Chem. Phys., vol. 16, no 44,‎ , p. 24128–24164 (ISSN 1463-9076, PMID 25297814, DOI 10.1039/c4cp03465a, Bibcode 2014PCCP...1624128M)
  2. ↑ Manzo et Garcia-Parajo, « A review of progress in single particle tracking: from methods to biophysical insights », Reports on Progress in Physics, vol. 78, no 12,‎ , p. 124601 (ISSN 0034-4885, PMID 26511974, DOI 10.1088/0034-4885/78/12/124601, Bibcode 2015RPPh...78l4601M, S2CID 25691993)
  3. ↑ Anthony, Zhang et Granick, « Methods to Track Single-Molecule Trajectories », Langmuir, vol. 22, no 12,‎ , p. 5266–5272 (ISSN 0743-7463, PMID 16732651, DOI 10.1021/la060244i)
  4. ↑ Höfling et Franosch, « Anomalous transport in the crowded world of biological cells », Reports on Progress in Physics, vol. 76, no 4,‎ , p. 046602 (ISSN 0034-4885, PMID 23481518, DOI 10.1088/0034-4885/76/4/046602, Bibcode 2013RPPh...76d6602H, arXiv 1301.6990, S2CID 40921598)
  5. ↑ a et b Podh, Paliwal, Dey et Das, « In-vivo Single-Molecule Imaging in Yeast: Applications and Challenges », Journal of Molecular Biology, vol. 433, no 22,‎ , p. 167250 (PMID 34537238, DOI 10.1016/j.jmb.2021.167250, S2CID 237573437)
  6. ↑ Barkai, Garini et Metzler, « Strange kinetics of single molecules in living cells », Physics Today, vol. 65, no 8,‎ , p. 29–35 (ISSN 0031-9228, DOI 10.1063/pt.3.1677, Bibcode 2012PhT....65h..29B)
  7. ↑ a et b Ball, Mehta, Salomon-Kent et Mazza, « Single molecule tracking of Ace1p in Saccharomyces cerevisiae defines a characteristic residence time for non-specific interactions of transcription factors with chromatin », Nucleic Acids Research, vol. 44, no 21,‎ , e160 (ISSN 0305-1048, PMID 27566148, PMCID 5137432, DOI 10.1093/nar/gkw744)
  8. ↑ Mehta, Ball, Eriksson et Chereji, « Single-Molecule Analysis Reveals Linked Cycles of RSC Chromatin Remodeling and Ace1p Transcription Factor Binding in Yeast », Molecular Cell, vol. 72, no 5,‎ , p. 875–887.e9 (ISSN 1097-2765, PMID 30318444, PMCID 6289719, DOI 10.1016/j.molcel.2018.09.009)
  9. ↑ Morisaki, Müller, Golob et Mazza, « Single-molecule analysis of transcription factor binding at transcription sites in live cells », Nature Communications, vol. 5, no 1,‎ , p. 4456 (ISSN 2041-1723, PMID 25034201, PMCID 4144071, DOI 10.1038/ncomms5456, Bibcode 2014NatCo...5.4456M)
  10. ↑ Presman, Ball, Paakinaho et Grimm, « Quantifying transcription factor binding dynamics at the single-molecule level in live cells », Methods, the 4D Nucleome, vol. 123,‎ , p. 76–88 (ISSN 1046-2023, PMID 28315485, PMCID 5522764, DOI 10.1016/j.ymeth.2017.03.014, hdl 11336/64420)
  11. ↑ Volkov, Lindén, Aguirre Rivera et Ieong, « tRNA tracking for direct measurements of protein synthesis kinetics in live cells », Nature Chemical Biology, vol. 14, no 6,‎ , p. 618–626 (ISSN 1552-4469, PMID 29769736, PMCID 6124642, DOI 10.1038/s41589-018-0063-y)
  12. ↑ Metelev, Volkov, Lundin et Gynnå, « Direct measurements of mRNA translation kinetics in living cells », Nature Communications, vol. 13, no 1,‎ , p. 1852 (PMID 35388013, PMCID 8986856, DOI 10.1038/s41467-022-29515-x, S2CID 222803093)
  13. ↑ Wirtz, « Particle-Tracking Microrheology of Living Cells: Principles and Applications », Annual Review of Biophysics, vol. 38, no 1,‎ , p. 301–326 (ISSN 1936-122X, PMID 19416071, DOI 10.1146/annurev.biophys.050708.133724, CiteSeerx 10.1.1.295.9645)
  14. ↑ Saxton et Jacobson, « Single-Particle Tracking: Applications to Membrane Dynamics », Annual Review of Biophysics and Biomolecular Structure, vol. 26,‎ , p. 373–399 (PMID 9241424, DOI 10.1146/annurev.biophys.26.1.373)
  15. ↑ Golding, « Physical Nature of Bacterial Cytoplasm », Physical Review Letters, vol. 96, no 9,‎ , p. 098102 (PMID 16606319, DOI 10.1103/PhysRevLett.96.098102, Bibcode 2006PhRvL..96i8102G)
  16. ↑ Nixon-Abell, Obara, Weigel et Li, « Increased spatiotemporal resolution reveals highly dynamic dense tubular matrices in the peripheral ER », Science, vol. 354, no 6311,‎ , aaf3928 (ISSN 0036-8075, PMID 27789813, PMCID 6528812, DOI 10.1126/science.aaf3928)
  17. ↑ Tolić-Nørrelykke, « Anomalous Diffusion in Living Yeast Cells », Physical Review Letters, vol. 93, no 7,‎ , p. 078102 (PMID 15324280, DOI 10.1103/PhysRevLett.93.078102, Bibcode 2004PhRvL..93g8102T, S2CID 2544882)
  18. ↑ Jeon, « In Vivo Anomalous Diffusion and Weak Ergodicity Breaking of Lipid Granules », Physical Review Letters, vol. 106, no 4,‎ , p. 048103 (PMID 21405366, DOI 10.1103/PhysRevLett.106.048103, Bibcode 2011PhRvL.106d8103J, arXiv 1010.0347, S2CID 1049771)
  19. ↑ Chen, Rees, Ji et Chao, « Mitochondrial dynamics tracking with iridium(III) complexes », Current Opinion in Chemical Biology, vol. 43,‎ , p. 51–57 (ISSN 1367-5931, PMID 29175532, DOI 10.1016/j.cbpa.2017.11.006)
  20. ↑ Knight et Falke, « Single-Molecule Fluorescence Studies of a PH Domain: New Insights into the Membrane Docking Reaction », Biophysical Journal, vol. 96, no 2,‎ , p. 566–582 (ISSN 0006-3495, PMID 19167305, PMCID 2716689, DOI 10.1016/j.bpj.2008.10.020, Bibcode 2009BpJ....96..566K)
  21. ↑ Campagnola, Nepal, Schroder et Peersen, « Superdiffusive motion of membrane-targeting C2 domains », Scientific Reports, vol. 5, no 1,‎ , p. 17721 (ISSN 2045-2322, PMID 26639944, PMCID 4671060, DOI 10.1038/srep17721, Bibcode 2015NatSR...517721C, arXiv 1506.03795)
  22. ↑ Wong, « Anomalous Diffusion Probes Microstructure Dynamics of Entangled F-Actin Networks », Physical Review Letters, vol. 92, no 17,‎ , p. 178101 (PMID 15169197, DOI 10.1103/PhysRevLett.92.178101, Bibcode 2004PhRvL..92q8101W, S2CID 16461939)
  23. ↑ Wang, Anthony, Bae et Granick, « Anomalous yet Brownian », Proceedings of the National Academy of Sciences, vol. 106, no 36,‎ , p. 15160–15164 (PMID 19666495, PMCID 2776241, DOI 10.1073/pnas.0903554106, Bibcode 2009PNAS..10615160W)
  24. ↑ Ram, Prabhat, Chao et Sally Ward, « High accuracy 3D quantum dotifocal plane microscopy for the study of fast intracellular dynamics in live cells », Biophysical Journal, vol. 95, no 12,‎ , p. 6025–6043 (PMID 18835896, PMCID 2599831, DOI 10.1529/biophysj.108.140392, Bibcode 2008BpJ....95.6025R)
  25. ↑ Badieirostami, Lew, Thompson et Moerner, « Three-dimensional localization precision of the double-helix point spread function versus astigmatism and biplane », Applied Physics Letters, vol. 97, no 16,‎ , p. 161103 (PMID 21079725, PMCID 2980550, DOI 10.1063/1.3499652, Bibcode 2010ApPhL..97p1103B)
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