LUCIA

La section scientifique Sciences de la vie de SOLEIL est un groupe actif composé d’environ 30 experts dans divers domaines. L’upgrade en cours du synchrotron SOLEIL (projet SOLEIL II) contribuera à l'émergence de méthodes visant à améliorer les capacités d'imagerie à haute résolution spatiale et temporelle des cellules, des tissus et des organes.

Les récentes révolutions dans le domaine de la cryo-tomographie électronique (cryo ET) a changé notre façon d'envisager les approches d’imagerie intégratives. L'association de la cryo EM (SPA et ET) aux techniques basées sur le synchrotron facilite grandement la corrélation des informations moléculaires et structurales, du niveau atomique au niveau cellulaire. L'expertise combinée des équipes des lignes de lumière dédiées aux sciences de la vie à SOLEIL constitue la base du développement d'une approche post-upgrade de la biologie intégrative.

Les agents pathogènes (ré)émergents dans leur environnement

L'apparition récente de nouvelles maladies et la réémergence d'anciennes maladies continuent de constituer une menace sérieuse pour l’humanité. Le monde a récemment été témoin de l'émergence d'une nouvelle menace liée au coronavirus (SARS-Cov2). En effet, de nombreux virus et bactéries évoluent rapidement pour propager au sein de la population hôte. Ce faisant, certains de ces pathogènes vont altérer la santé de l’hôte conduisant dans les cas les plus extrêmes à sa mort. Le réchauffement climatique a exacerbé cette situation en favorisant la propagation des vecteurs de ces maladies, ce qui a des conséquences dramatiques sur notre environnement et notre santé. Les maladies épizootiques et anthropo-épizootiques représentent clairement une menace majeure pour la santé humaine. L'ampleur totale de la pandémie actuelle de SARS-Cov2 ne sera pas connue avant plusieurs années. Mais, pour prendre un autre exemple, selon l'Organisation mondiale de la santé (OMS), l'impact du virus de la grippe A est estimé à 3 à 5 millions de cas de maladie grave et jusqu'à un demi-million de décès dans le monde chaque année. La situation s'aggravera encore lorsque les virus muteront en formes virulentes provoquant des pandémies humaines qui se reproduiront toutes les quelques décennies. La surutilisation et la mauvaise utilisation des traitements antibiotiques chez l'Homme et le bétail, ainsi que les quantités importantes de médicaments rejetées dans les déchets urbains, sont un facteur majeur dans l'apparition de bactéries multirésistantes, plus communément appelées superbactéries. C’est pourquoi la découverte de nouveaux antibiotiques et leur développement sont nécessaires de toute urgence pour faire face aux dangers liés à l'émergence et à la propagation de bactéries multirésistantes, en particulier les pathogènes Gram négatifs appartenant au groupe ESKAPE. Notre connaissance insuffisante de la structure complexe de leur membrane externe et de leur organisation interne reste une lacune importante qui doit être comblée si nous voulons pouvoir comprendre les mécanismes à l'origine de la résistance aux antibiotiques et leur absorption par les bactéries vivantes. Il est donc essentiel de mieux comprendre comment les agents pathogènes interagissent avec leur hôte et se propagent dans l'environnement, et comment ils peuvent être combattus.

Toutes les maladies (ré)émergentes ont en commun des liens étroits entre l'adaptation structurale des molécules des microbes et leur virulence ou leur résistance spécifique. Afin de soutenir la collaboration nationale entre les scientifiques des organismes de recherche spécialisés (CNRS, CEA, IRBA, Institut Pasteur, INSERM, INRAe, etc.), SOLEIL renforcera sa combinaison existante de techniques d’analyses structurales de pointe pour déchiffrer les bases moléculaires qui sous-tendent les mécanismes de virulence et de résistance. De nouvelles méthodes d'imagerie révolutionnaires sont en cours de développement i) au niveau cellulaire, où les médicaments et les protéines peuvent être suivis dans des cellules vivantes ou en différé en conditions cryogéniques sur des échantillons entièrement hydratés, et ii) au niveau tissulaire, où des modalités d'imagerie innovantes permettront de mieux comprendre les effets induits par ces maladies chez les animaux et les patients. Ce n'est que grâce à la coordination intégrée du large éventail d'expertises spécialisées fournies par des groupes de recherche indépendants que des solutions durables pourront voir le jour.

Méthodes synchrotron pour les médecins

Les médecins, qui sont en première ligne dans la prise en charge des maladies et des traumatismes, sont constamment à la recherche de nouveaux outils diagnostiques. Les technologies thérapeutiques et l'imagerie biomédicale ont grandement bénéficié des méthodes de rayonnement synchrotron pour un diagnostic plus rapide et plus fiable. Celles-ci comprennent, sans s'y limiter, l'irradiation par microfaisceau de rayons X et les thérapies par activation photonique, la tomodensitométrie, l'angiographie coronarienne, la bronchographie et la mammographie. L'intégration de techniques complémentaires utilisant le rayonnement synchrotron contribue à enrichir la fiabilité des bases de données utilisées par les chirurgiens lors de l'ablation de tumeurs afin de mieux définir les limites des tissus malins. Les outils d'imagerie disponibles dans les hôpitaux offrent une faible résolution spatiale, ce qui, dans certains cas spécifiques (tels que l'apparition de faux positifs dans le marquage radioactif), nécessite le recours à des technologies d'imagerie de pointe disponibles uniquement dans les synchrotrons.

SOLEIL a déjà contribué à de tels diagnostics, avec plusieurs cas médicaux résolus, notamment celui d'un patient souffrant de cristaux de dihydroxyadénine. Les études biomédicales nécessitent en général des résolutions spatiales comprises entre 0,5 et 10 microns, rarement inférieures à 50 nanomètres. Les modalités d'accès à l'instrumentation doivent respecter les principes de bioéthique et un soin particulier doit être apporté au renvoi des échantillons de biopsie à l'hôpital après analyse. De même, la prudence est de mise lors de l'analyse des échantillons, car aucune dégradation (telle que les dommages causés par des doses trop élevées de rayons visibles, UV ou X) ne peut être tolérée : la mise au point d'un passeport pour les échantillons (voir Instrumentation et méthodes, chapitre 4) est un important outil de facilitation. En outre, il devient indispensable d'améliorer le diagnostic en caractérisant les maladies induites par des mutations au niveau moléculaire.

Des plantes pour un monde en mutation

• Alimentation :

Dans un contexte de population croissante, la consommation alimentaire mondiale doit être adaptée afin de limiter l'impact humain sur le réchauffement climatique. De nombreux rapports recommandent de réduire la consommation de protéines animales. De nouvelles sources de protéines sont nécessaires, et les protéines végétales apparaissent comme des alternatives prometteuses. Dans la pratique, les protéines végétales sont difficiles à digérer par les omnivores en raison de leurs faibles solubilité et accessibilité cellulaire, et de leur teneur en soufre, ce qui rend nécessaire leur traitement enzymatique préalable pour une meilleure métabolisation par les enzymes humaines. Le maintien de la qualité des sols exempts de polluants et la prévention de l'entrée de ces polluants dans la chaîne alimentaire sont abordés dans la partie « Environnement ».

• Sécheresse :

En réponse à l'évolution des quantités de précipitations due au changement climatique, il est urgent d'étudier la résilience des arbres et des plantes à la sécheresse et l'adaptation de l'agriculture à de nouvelles espèces végétales plus résistantes. Les arbres et les cultures, ainsi que leur adaptation à la sécheresse, doivent être étudiés à l'échelle tissulaire et moléculaire. L'imagerie structurale et chimique, à la résolution la plus élevée possible sur des échantillons vivants et fixés, permettrait de comprendre les bases moléculaires et cellulaires de leur résilience.

• Matériaux biosourcés :

Les défis qui se profilent dans notre monde en constante évolution sont nombreux et les solutions aux problèmes de demain viendront de divers domaines de la recherche et du développement. Le passage à une ère post-pétrolière pourrait devenir l'un des problèmes les plus difficiles à résoudre, notamment en termes de chimie des polymères, nécessaire à la production de tous les objets utilisés dans notre société de consommation. À cet égard, les synthons (unités structurales au sein d'une molécule) nécessaires à la fabrication de nos gadgets préférés peuvent également être trouvés dans les déchets (organiques/mous), soit en valorisant les déchets urbains et industriels, soit en valorisant les déchets végétaux issus de la production agricole durable. Les enzymes qui catalysent la production de ces synthons doivent encore être pleinement caractérisées et optimisées.

• Santé et maladies des plantes :

Les plantes sont sensibles aux effets du réchauffement climatique et aux techniques agricoles intensives. Cette pression environnementale a pour conséquence de rendre les plantes vulnérables à la propagation rapide d'agents pathogènes qui peuvent détruire les cultures et entraîner des pertes économiques importantes.

Vous trouverez ici des formations théoriques et pratiques sur les techniques proposées par les lignes de lumière de la section Sciences de la vie.

La ligne LUCIA se caractérise par la production d’un microfaisceau dans la gamme d’énergie 0.8-8 keV. La stabilité spatiale du spot de photons sur une large gamme spectrale autorise l’étude de la distribution d’éléments par spectroscopie de micro-fluorescence X (µ-XRF) et de la spéciation d’éléments par spectroscopie d’absorption X (XANES et EXAFS), dans des échantillons hétérogènes.

La ligne "LUCIA" (Ligne Utilisée pour la Caractérisation par Imagerie et Absorption) est dédiée à des expériences de micro-absorption X (μXAS) et de micro-fluorescence (μXRF) dans le domaine des rayons X dits "tendres" (0.8-8 kev). Elle permet d'appliquer ces deux techniques non destructives à la mesure d'échantillons hétérogènes, de réaliser des cartographies élémentaires à l'échelle du spot de photons (2x2 microns²), et de décrire l'environnement local autour de ces éléments.
Un faisceau monochromatique est envoyé sur un échantillon placé sur une platine de translation x-z. Des cartes de micro-fluorescence sont tout d'abord réalisées (éventuellement à différentes énergies de faisceau incident, tirant profit du faisceau monochromatique accordable). Les informations obtenues permettent de déterminer la localisation des éléments, leur abondance relative, ainsi que les autres éléments auxquels ils sont éventuellement associés. Les régions d'intérêt peuvent ensuite être sélectionnées afin de les analyser par XAS (sonde sélective locale fournissant des informations électroniques et structurales).
Les deux techniques de microXRF et microXAS peuvent être combinées avec d'autres microtechniques, comme la spectroscopie Raman, pour donner des informations complémentaires sur l'échantillon. La gamme d'énergie offerte par LUCIA correspond aux meilleures performances de SOLEIL en termes de brillance. Elle permet des expériences de XAS au seuil K des éléments depuis le sodium (Na) jusqu'au Fer (Fe) et au seuil L du Nickel (Ni) au Gadolinium (Gd) ainsi qu'au seuil M des terres rares et des actinides.