Développement d’un Simulateur fondé sur la Dynamique Brownienne de molécules individuelles et dédié à l’Imagerie de Fluorescence sur Cellules Vivantes

Abstract

La fluorescence a révolutionné l’imagerie cellulaire : en améliorant grandement le contraste, elle a permis d’imager des structures et de suivre des dynamiques moléculaires, jusqu’alors inaccessibles. Il existe aujourd’hui un grand nombre de techniques de microscopie optique exploitant les propriétés de molécules fluorescentes. Ces techniques permettent d’observer des structures toujours plus fines, de suivre la dynamique d’un ensemble de molécules (FRAP, PAF) ou de molécules individuelles (SPT, FCS) mais aussi d’étudier en temps réel leurs interactions moléculaires (FCCS, FRET). Toutefois, ces paradigmes expérimentaux sont complexes et de nombreux biais peuvent entacher d’erreurs les résultats obtenus.Dans le but d’interpréter avec précision les expériences d’imagerie de fluorescence sur cellules vivantes, nous avons développé un logiciel de simulation qui prend en compte les paramètres caractéristiques de ces expériences. Ce logiciel possède une interface graphique permettant d’ajuster en temps réel les paramètres de la simulation, et utilise des méthodes de Monte Carlo pour simuler la dynamique Brownienne de molécules individuelles ainsi que la photophysique des fluorophores associés. Ces molécules qui évoluent dans une géométrie définie par l’utilisateur peuvent transiter réversiblement entre un état diffusif rapide et un état diffusif lent, appelé état piégé, dans des compartiments subcellulaires spécifiques. Les fluorophores peuvent exister dans trois états : fluorescent, éteint et photo-blanchi. Des taux de transitions entre ces états sont utilisés pour simuler les expériences de fluorescence.Nous montrons dans un premier temps que les simulations générées par notre algorithme sont en accord avec des modèles théoriques classiquement utilisés pour analyser les expériences d’imagerie de fluorescence. Dans un second temps, nous utilisons le logiciel pour étudier un contact adhésif entre deux cellules COS médié par deux protéines d’adhésion formant un complexe hétérologue : la neurexine et la neuroligine. Des expériences d’imagerie de fluorescence (SPT, FRAP, FCS) ont été réalisées et sont interprétées en utilisant des simulations. Dans cette étude, nous mettons en évidence que les propriétés dynamiques de la neurexine sont modifiées au niveau du contact cellule-cellule, en bon accord avec le modèle