L’histoire du microscope

histoire du microscope

Le prix Nobel Alan Finkel a récemment déclaré : “Sans la microscopie, il n’y a pas de science moderne”. Cependant, vous êtes-vous déjà demandé comment ces instruments ont été créés ? Les microscopes ont parcouru un long chemin depuis l’introduction de la première version il y a des siècles, tout comme les découvertes cruciales que les scientifiques sont aujourd’hui en mesure de faire. En particulier, les instruments de cryo-microscopie électronique sont maintenant pour les scientifiques ce que les scalpels sont pour les chirurgiens – des outils d’action, et pas seulement d’observation.

Les humains sont curieux par nature, et notre fascination pour l’inconnu nous pousse à relever certains des défis les plus difficiles de la vie. Les microscopes avancés d’aujourd’hui aident les scientifiques à voir la structure des virus et des protéines en 3D ! Les scientifiques utilisent désormais ces microscopes avancés et les nouvelles technologies pour étudier les maladies neurodégénératives, telles que les maladies d’Alzheimer, de Parkinson et de Huntington, ainsi que les cancers, notamment le VIH, la malaria, le virus Zika et bien d’autres. Une meilleure compréhension du fonctionnement des protéines et des virus peut aider les chercheurs à accélérer la mise au point de traitements et de thérapies plus efficaces.

Les débuts de la microscopie

L’évolution du microscope a commencé presque dès le développement de l’instrument dans les années 1500. Lorsque les scientifiques du 16ème siècle ont commencé à faire des progrès en biologie et en chimie, ils savaient qu’ils auraient besoin de voir plus que ce que l’œil nu permettait. Leur solution consistait à utiliser du verre pour courber la lumière, créant ainsi la loupe. Mais qu’arriverait-il s’ils mettaient plusieurs lentilles ensemble ? À la fin des années 1500, deux fabricants de lunettes néerlandais, Zacharias Janssen et son père Hans, ont pris sur eux de le découvrir. Ils ont empilé plusieurs lentilles dans un tube et ont réalisé qu’ensemble, ils faisaient apparaître des objets beaucoup plus grands que sous une seule loupe. Comme le grossissement maximum n’était que de 9 fois, ils étaient plus une nouveauté qu’un instrument scientifique.

Les premières observations réalisées au microscope

Croquis des premières découvertes microscopiques de la nature par Antonie Van Leeuwenhoek en 1825.

Antony Van Leeuwenhoek, un scientifique néerlandais et l’un des pionniers de la microscopie, a été le premier à créer et à utiliser un microscope à des fins scientifiques. Ses microscopes à main à lentille unique étaient fabriqués en meulant puis en polissant des billes de verre pour en faire des lentilles courbes. Il a découvert que la courbure lui permettait de voir des objets jusqu’à 270 fois plus grands qu’à l’œil nu. En comparaison, les microscopes à lentille plate ne pouvaient voir qu’avec un grossissement de 50 fois. Il a utilisé son nouveau microscope pour analyser les insectes et finalement découvrir des bactéries, ce qui lui a valu le titre de “Père du microscope”.

Pour tirer parti de la puissance d’un microscope à lentille unique, les scientifiques devaient trouver un moyen de réduire la distance focale du microscope tout en conservant le diamètre de la lentille. Si la lentille était trop réduite, il serait difficile de voir à travers et les images pourraient devenir floues. La solution : les microscopes composés.

Un microscope composé utilise deux ou plusieurs lentilles pour agrandir une image à un grossissement supérieur. Sa structure de base se compose de deux parties :

1. l’objectif, la lentille la plus proche de l’objet observé, et

2. l’oculaire, la lentille la plus proche de l’œil.

Combinés, ces nouveaux microscopes composés permettent aux chercheurs de voir des organismes unicellulaires, des levures et d’autres éléments constitutifs de la vie avec des détails sans précédent, même si les images sont légèrement déformées parce que le verre est de mauvaise qualité et les lentilles imparfaitement formées. Au fond, même les microscopes massifs d’aujourd’hui sont considérés comme des microscopes composés.

Des photons aux électrons

En 1900, les microscopes à lumière visible ont atteint leur limite théorique de résolution. La physique impose que les microscopes à lumière visible soient limités à un grossissement de 500x à 1000x et à une résolution de 0,2 micromètre (2000 angströms). Quatre ans plus tard, Carl Zeiss a surmonté cette limite et a introduit le premier microscope UV commercial, qui avait une résolution deux fois plus puissante qu’un microscope à lumière visible. Mais ce n’est que près de 30 ans plus tard que les chercheurs ont trouvé un moyen de dépasser ces limites.

En 1931, deux scientifiques allemands, Ernst Ruska et Max Knoll, ont trouvé un moyen d’obtenir une résolution supérieure à celle de la lumière. Ils ont cessé d’utiliser la lumière, réalisant au contraire qu’ils pouvaient transmettre des électrons à travers un échantillon pour former une image. Cette découverte a conduit au premier microscope électronique à transmission (MET), où les électrons sont dirigés directement sur l’échantillon et le traversent pour créer l’image.

Dix ans plus tard, Ruska a créé une approche similaire, mais différente, en utilisant un faisceau d’électrons focalisé pour balayer la surface d’un échantillon selon un schéma rectangulaire afin de fournir des informations sur sa topographie et sa composition. Contrairement au TEM, l’image de ce nouveau microscope électronique à balayage (SEM) a été créée après que le microscope ait collecté et compté les électrons dispersés.

Images de micrographie électronique par transmission d’embryons de Palaemonetespugio (crevettes d’herbe) montrant le développement d’un manteau embryonnaire, à partir de 1933.

Passage au numérique

En 1986, des scientifiques japonais ont introduit le microscope numérique, qui, selon beaucoup, a révolutionné la microscopie. Ils ont créé un moyen de transférer l’image du microscope à un ordinateur pour une analyse instantanée. De nos jours, les microscopes sont équipés d’écrans haute définition intégrés, ce qui rend inutile l’utilisation d’un ordinateur externe pour visualiser les images.

Passer de la 2D à la 3D avec Cryo-EM

Le principal défi de la microscopie, même jusqu’à ces dernières années, était de recréer les images 2D floues sous forme de structures 3D nettes. Pendant près de deux décennies, trois chercheurs – Jacques Dubochet, Joachim Franck et Richard Henderson – ont créé une technique permettant de générer une structure 3D de la protéine au niveau atomique à l’aide d’un microscope électronique. Leur technique utilisait la vitrification pour refroidir un échantillon à des températures cryogéniques, permettant ainsi aux biomolécules de conserver leur forme dans le vide. Cette approche, appelée cryo-microscopie électronique (cryo-EM), a reçu le prix Nobel de chimie en 2017.

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