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Actualité de la délégation de Fontainebleau

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Filmer la science pour comprendre le vivant

Le Centre de Bioinformatique MINES ParisTech "met en scène" les processus biologiques.

L'éphémère, tel était le thème de la 3e édition du Festival de l'histoire de l'art qui s'est déroulé à Fontainebleau, du 31 mai au 2 juin 2013. Éphémère, le mouvement qui anime la cellule. Capté par la caméra, il devient, pour le chercheur, outil de connaissance et de transmission du savoir.
Retour sur images avec Thomas Walter, chercheur au CBIO MINES ParisTech, dont l'intervention, lors de ce festival, a porté sur son expérience de microcinématographe.

Cellule en cours de division.

La microcinématographie : le cinéma des scientifiques

Depuis la réalisation des premiers films scientifiques, les techniques de visualisation et de microscopie ont énormément évolué. Elles permettent aux scientifiques de filmer au plus près du vivant à l’échelle microscopique, explique Thomas Walter, fort de son expérience acquise au Laboratoire européen de biologie moléculaire (EMBL) à Heidelberg, dans l'équipe de Jan Ellenberg.

La photographie animée, ou cinématographie, s’est développée dans les laboratoires scientifiques entre les mains de biologistes, physiologistes, physiciens, plusieurs années avant que les frères Lumière ne fassent leur 1^ère projection. Jean Comandon, Étienne Jules Marey, Lucien Bull sont ainsi considérés comme des pionniers du cinéma scientifique. L’objectif était alors de ralentir ce qui bouge pour étudier le mouvement. « La vidéo-microscopie permet une description, très riche, très détaillée, des phénotypes cellulaires. Elle permet d‘étudier des processus dynamiques et d’observer l’ordre temporel des événements. Elle nous donne souvent des indices sur ce qui est cause ou conséquence », détaille Thomas Walter.

Avec l’amélioration des techniques expérimentales, les paramètres pouvant décrire un processus biologique se sont multipliés. La mise en mouvement des données de façon cinématographique permet une visualisation rapide des processus de manière intégrée et à l’échelle globale du système. « Le génome humain a été séquencé il y a environ dix ans, et la plupart des gènes ont été identifiés. Mais il y reste beaucoup de questions ouvertes. Par exemple, nous ignorons encore quels sont les gènes impliqués dans de nombreux processus biologiques fondamentaux. Nous avons aujourd’hui les moyens de tester l’implication des gènes dans ces processus. La vidéo-microscopie y joue un rôle très important. On pourrait dire qu’elle nous permet d’étudier la grammaire de ce dictionnaire génétique », explique Thomas Walter.Mitose d'une cellule doublement marquée : chromatine en rouge et LAMINB-eGFP (marqueur des lamines nucléaires) en vert. Source : Moritz Mall.

Un scénario, des acteurs, des spectateurs

Le CBIO, laboratoire commun MINES ParisTech et Institut Curie, dirigé par Jean-Philippe Vert, s’intéresse aux méthodes d’apprentissage statistique en biologie computationnelle, et notamment à l’analyse des vidéos grâce à l’apprentissage supervisé. « À partir des images issues de la microscopie, nous déterminons par exemple des classes morphologiques qui témoignent de l’état des cellules ou de la phase du cycle. Puis, nous suivons les cellules dans le temps et décrivons la dynamique du changement de leur morphologie. Nous envisageons d’utiliser l’apprentissage non-supervisé, pour déterminer de manière automatique de nouvelles classes », explique Thomas Walter. L’apprentissage supervisé est également utilisé pour automatiser la sélection de cellules dans un état souhaité, afin d’épargner aux autres cellules un éclairage létal. « En quelque sorte on automatise aussi bien le spectateur, la mise en scène que le casting des cellules ! » s’exclame Thomas Walter.

Enfin, les chercheurs choisissent le scénario du film. Grâce à des brins d’ARN appelés siRNA (small interfering RNA), ils peuvent bloquer la transcription d’un gène spécifique. Ils filment ensuite la réponse des populations cellulaires et peuvent observer l’impact de l’absence du gène. Ainsi ils ont tourné près de 190 000 films de 48h sur différents scénarios de la vie des cellules.

L’équipe  internationale MitoCheck a mis l’ensemble des vidéos d'un travail titanesque, réalisé dans le cadre du programme de recherche européen d'étude de la mitose, lancé en 2004, en libre accès sur la plateforme MitoCheck. « Grâce à ce matériel mis à leur disposition, d’autres pourront analyser et interpréter ces films selon de nouvelles hypothèses que nous n’aurions pas couvertes», se réjouit le jeune chercheur.

Le rôle du cinéma dans la science ne se limite pas à la vidéo-microscopie : les films ont un potentiel éducatif important. Les animations du mouvement des cellules permettent, par exemple, une vue compréhensible des mécanismes qui se déroulent dans l’infiniment petit. Pour les scientifiques, c’est le moyen d’intégrer un grand nombre d’informations de types très différents provenant de diverses expériences. Cela inclut les échelles de temps, qui peuvent énormément varier selon les processus.

La vue est un sens complexe qu’il est intéressant d’exploiter. La visualisation de données scientifiques est devenue un domaine de recherche en soi. D’autres équipes ont aussi pensé à sonifier les données « notamment lorsque les canaux deviennent trop nombreux et ne permettent plus de distinguer l’origine des couleurs. L’odorat, en revanche, est un sens qui n’est absolument pas utilisé », conclut le chercheur de l'école d'ingénieurs MINES ParisTech.

Article rédigé par Laurence Bianchini - MyScienceWork.