À la recherche de vidéos de procaryotes ou du mouvement intracellulaire in vivo

[Geb]

Bonjour,

La plupart des documentaires font usage de "B-rolls", un montage, en général assez dynamique, utilisé pour meubler ou appuyer le discours d’une "voix off" entre deux passages plus "statiques" (deux interviews par exemple).

En ce qui concerne les documentaires sur l’origine de la vie, je m’étais déjà demandé au détour d’une autre conversation sur ce forum, s’il était possible d’illustrer de tels documentaires uniquement avec de courtes vidéos d’organismes unicellulaires (puisqu’il s’agit des "origines" de la vie), quitte à les entrecouper, comme on le fait déjà, de courtes vidéos beaucoup plus faciles à trouver évoquant peu ou prou l’environnement de la terre primitive, comme une rivière de lave, un panache de fumée s’échappant d’un volcan, le même panache strié d’éclairs, une plage de sable noir, un ouragan vu de l’espace, un geyser, une source géothermale peuplée de bactéries colorées, une source hydrothermale sous-marine, un bassin de boue bouillonnante, etc. Tout cela est assez facile à trouver sur le net.

En revanche, lorsque je cherche de telles vidéos d’unicellulaires (en particulier des procaryotes), à part la reproduction exponentielle d’une bactérie, je dois dire que je suis supris de leur relative rareté sur YouTube. Je n’ai aucune peine à imaginer que, puisque l’on s’intéresse à des organismes ayant une taille de l’ordre du micromètre, les personnes possédant les instruments requis pour réaliser ce type de vidéos ne doivent pas être très nombreuses… Même les vidéos de multicellulaires minuscules, qui m’intéressent moins, comme les rotifères (en particulier Philodina acuticornis) ou les micro-algues (comme Chlorella vulgaris), ne sont pas si faciles à trouver.

Dans le même ordre d’idées, certains laboratoires rendent-ils publiques les vidéos qui les aident parfois à illustrer leurs conférences (par exemple, le fonctionnement interne d’une cellule eucaryote en microscopie in vivo à fluorescence) ?

Je précise que je ne suis pas non plus intéressé par les nombreuses modélisations dynamiques en trois dimensions du fonctionnement intracellulaires (comme la synthèse ribosomique des protéines). C’est vraiment les vidéos d’unicellulaires in vivo (ou mieux de l’intérieur d’unicellulaires) qui m’intéressent.

Certains d’entre vous auraient-ils connaissance de telles vidéos qu’ils pourraient éventuellement partager ici ?

Cordialement.
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[Flyingbike]

Juste pour être sur

Quand je lis "vidéos d’unicellulaires in vivo" je pense à des unicellulaires filmés dans un hôte. Une bactérie ou un champignon qui pousse dans une boite, c'est du vitro, dans le langage labo courant. Pour tenter d'expliquer la rareté de ce genre d'image, je vois en premier lieu le fait que, à part être joli, c'est rarement informatif scientifiquement (sauf cas particulier). En second, je vois la complexité d'obtenir de telles images et la nécessité d'avoir du matériel un peu touffu quand même...

A titre d'exemple, je "m'amuse" a faire ce genre d'images
C'est une levure transgénique, fluorescente, cultivée en conditions favorisant sa filamentation

hyphes gfp movie.zip

[Geb]

Quand je lis "vidéos d’unicellulaires in vivo" je pense à des unicellulaires filmés dans un hôte. Une bactérie ou un champignon qui pousse dans une boite, c'est du vitro, dans le langage labo courant.

Oui, tu as raison. Je me suis mal exprimé. Je ne pensais pas vraiment aux unicellulaires filmés dans un hôte. Par "in vivo" je voulais tout simplement exclure les "simples" photos, en microscopie électronique par exemple.

Pour tenter d'expliquer la rareté de ce genre d'image, je vois en premier lieu le fait que, à part être joli, c'est rarement informatif scientifiquement (sauf cas particulier). En second, je vois la complexité d'obtenir de telles images et la nécessité d'avoir du matériel un peu touffu quand même...

Je suis d'accord. Pour illustrer un documentaire ou une conférence grand public, le simple fait de "faire joli" ne me paraît pas vraiment gênant. J'observe juste que la plupart des documentaires sur l'origine de la vie choississent par facilité des vidéos de guépards, de girafe, de paons, etc., là où je voudrais voir davantage de vidéos qui ont nécessité l'usage d'un microscope. Aussi, certains chercheurs comme Eric Karsenti, qui étudie notamment par microscopie en fluorescence la formation du fuseau mitotique chez les eucaryotes, doivent probablement produire des vidéos fascinantes, aussi bien pour leur beauté que pour leur intérêt scientifique. C'est le genre de vidéos que je recherche.

A titre d'exemple, je "m'amuse" a faire ce genre d'images
C'est une levure transgénique, fluorescente, cultivée en conditions favorisant sa filamentation

C'est intéressant. C'est probablement moins esthétique que la croissance bactérienne, mais ceci est une opinion très subjective. Là où c'est vraiment cool, c'est que c'est fait maison, par tes soins, et pouvoir le faire soi-même, c'est vraiment la classe !

Cordialement.

[Geb]

Bonjour,

J'ai trouvé quelques autres vidéos de bonne qualité, malheureusement toujours sur le même thème de la croissance exponentielle d'une population :

- Streptococcus pneumoniae
- Bacterial growth under the microscope
- Lactobacillus - Time Lapse Photography
- Cell division of E. coli with continuous media flow
- Motions of Swarming E coli Bacteria

On a même la version années 1960 :

- 1960s Science: Micro-Photography Lab. Normal & Non Cell Division

Je trouve assez fascinant qu'avec toutes les techniques extrêmement sophistiquées qui sont les nôtres, en particulier dans l'observation in vivo des cellules ces 30 dernières années, il ne se trouve pas davantage de labos ou de chercheurs qui s'enorgueillissent sur internet.

Je n'exclue pas que ces vidéos existent. Je constate juste que j'ai beaucoup plus de mal à les trouver que je ne l'aurais cru.

Cordialement.

[A voir en vidéo sur Futura]

[Flyingbike]

C'est intéressant. C'est probablement moins esthétique que la croissance bactérienne, mais ceci est une opinion très subjective. Là où c'est vraiment cool, c'est que c'est fait maison, par tes soins, et pouvoir le faire soi-même, c'est vraiment la classe !

Cordialement.

C'était à l'occasion du test d'une machine de démonstration, fait un peu à l'arrache dans des conditions improvisées. Le résultat n'est pas si mal


Tes dernières vidéos sont chouettes.

Je trouve assez fascinant qu'avec toutes les techniques extrêmement sophistiquées qui sont les nôtres, en particulier dans l'observation in vivo des cellules ces 30 dernières années, il ne se trouve pas davantage de labos ou de chercheurs qui s'enorgueillissent sur internet.

Ben, c'est à dire que ce genre de vidéo qui peut paraître assez simple est en fait assez compliqué à obtenir pour des raisons techniques. Etant donné que l'information scientifique apportée est proche de zéro , personne ne s'embête. La microbiologie fondamentale qui pourrait avoir recours à ce genre d'image, pour étudier par exemple la cinétique des divisions ou la mobilité bactérienne, est soit en voie de disparition, soit à recours à d'autres techniques.
A part ces deux exemples, je ne vois pas très bien à quoi pourrait servir de filmer des bactéries sur un support de culture. Peut être pour l'étude des biofilms, plutôt à la mode ?


Pour ce qui est imagerie intracellulaire tu trouveras surtout des images en fluorescence de cellules eucaryotes, car l'intérieur des procaryotes est assez peu accessible en microscopie.

https://www.youtube.com/watch?v=N97cgUqV0Cg

[Geb]

Pour ce qui est imagerie intracellulaire tu trouveras surtout des images en fluorescence de cellules eucaryotes, car l'intérieur des procaryotes est assez peu accessible en microscopie.

https://www.youtube.com/watch?v=N97cgUqV0Cg

Oui, lorsque je parlais de "mouvement intracellulaire in vivo" et que j'évoquais la microscopie en fluorescence, j'avais uniquement en tête des eucaryotes, comme dans le cas des études d'Eric Karsenti sur le fuseau mitotique auxquelles j'ai déjà fait allusion. Mais là encore, je suis assez surpris par la difficulté à trouver des vidéos.

Cordialement.

[Geb]

Bonjour,

Pour progresser dans ma recherche, je crois comprendre qu'il faut me réorienter vers l'étude de processus communs chez les eucaryotes, comme celle de l'assemblage des microtubules, ou le fuseau mitotique.

Aussi, j'ai remarqué qu'il y avait des tentatives de simulations informatiques dites de "dynamique moléculaire". Je serais curieux de savoir à quoi ça ressemble. Notamment, dans Kepper et al. (2010), on peut lire :

Estimates for molecular dynamics computational times assuming a tenfold CPU speed increase every five years suggest the simulation of a complete Escherichia coli bacterium (10¹¹ atoms) on a nanosecond scale by 2034, a mammalian cell (10¹⁵ atoms) by 2056, and a complete human being (10²⁷ atoms) in real time by 2172 (van Gunsteren et al., 2006).

Je me demande quand même d'où vient cette estimation de 100 milliards d'atomes pour E. coli.

Je répugne à considérer les modèles en 3D, parce que certaines études (Astumian, 2001) semblent montré qu'ils sont très mauvais pour donner une idée de ce qui se passe véritablement, en terme d'auto-organisation, au sein de la cellule vivante.

Cordialement.

[zyket]

Bonjour Geb,

bien que vous écriviez

Même les vidéos de multicellulaires minuscules, qui m’intéressent moins, comme les rotifères (en particulier Philodina acuticornis) ou les micro-algues (comme Chlorella vulgaris), ne sont pas si faciles à trouver.

je vous propose cette vidéo, que youtube m'a suggéré lors du visionnage de votre choix, de procaryotes et de rotifères qui "s'entre-dévorent" joyeusement. https://www.youtube.com/watch?v=io73...&pbjreload=101

Cordialement

[Geb]

Bonjour zyket,

je vous propose cette vidéo, que youtube m'a suggéré lors du visionnage de votre choix, de procaryotes et de rotifères qui "s'entre-dévorent" joyeusement. https://www.youtube.com/watch?v=io73...&pbjreload=101

Je vous remercie. En fait, plutôt que de passer par les multicellulaires, j'aimerais autant avoir des images détaillées de prokaryotes, en évitant soigneusement les simples représentations en images de synthèse qui fleurissent sur le net.

Il me paraît évident que, ce que j'avais voulu au départ de cette discussion, c'est-à-dire :

1) des vidéos de procaryotes
2) des vidéos du mouvement "en temps réel" des structures macromoléculaires à l'intérieur d'une cellule eucaryote (comme l'auto-assemblage des microtubules ou du fuseau mitotique)

Ces deux types de vidéos seront particulièrement difficile à trouver. Il y aurait peut-être finalement un espoir cela dit, avec certaines simulations informatiques bien spécifiques, dites de "dynamique moléculaire".

Il y a par exemple une publication récente concernant la simulation d'une membrane d'organites pendant une nanoseconde, effectuée en 2017 par deux chercheurs de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign (USA) :

- Atomistic Modeling of Organelle-Scale Membrane Structures of Arbitrary Size, Lipid Composition, and Geometric Complexity (Trebesch & Tajkhorshid, 2017)

The structure of the membranes that surround most organelles and cells are highly complex geometrically and are immensely large from the perspective of atomistic modeling and simulation. Terasaki ramps, a structural motif from endoplasmic reticula with a helicoidal structure similar to that of a parking ramp, exemplify these properties. Starting from a surface mesh reconstruction of a Terasaki ramp derived from electron microscopy, we have developed the first atomistic model of an organelle-scale membrane structure, enabling us to computationally probe the interplay between atomic-scale biochemistry and organelle-scale biophysics for the first time. Measuring approximately 1.97 μm by 1.59 μm by 0.61 μm, our model contains ~31.7 million lipids (~3.9 billion atoms) and is composed of seven different lipids (POPC, cholesterol, etc.) in experimentally-determined proportions. Because existing atomistic modeling techniques can only produce membranes with extremely simple shapes (i.e., planes or spheres) and cannot utilize experimental low-resolution reconstruction data, building this model required significant methodological development, which we have consolidated into a general tool called xMAS (Experimentally-Derived Membranes of Arbitrary Shape) Builder. Starting from an experimental (or synthetic) mesh, xMAS Builde ranalyzes the mesh to determine the number of lipids needed and their orientations, and it uses molecular dynamics simulations of Lennard-Jones particles restrained to the mesh to optimize the lipid placement. It then chooses lipids of the appropriate type from a set of conformational libraries, and it eliminates clashes between lipids using an energy minimization technique. Soon, it will be able to automatically insert proteins into the membrane, allowing even more realistic models to be generated. Overall, xMAS Builder enables visualization and analysis of immense membrane structures at an unprecedented atomistic level of detail, and it provides the first fundamental steps necessary to simulate these systems.

On reste un peu sur sa faim cela dit puisqu'on n'a qu'un bref compte-rendu et que ce papier n'a été cité par aucune autre équipe. Tout de même, la simulation d'une membrane d'organite de ~3,9 milliards d'atomes, avec 7 lipides différents, et auquel on pourra bientôt ajouter, par ailleurs, des protéines membranaires, cela me paraît une réalisation tout à fait significative.

L'année dernière, le même tandem a tenté la simulation au niveau atomique d'un morceau (~4,5 milliards d'atomes) de la membrane du réticulum endoplasmique :

- Incorporating Proteins into Geometrically Complex, Cell-Scale Membrane Models for Molecular Dynamics Simulations (Trebesch & Tajkhorshid, 2019)

Peut-être que 4,5 milliards d'atomes, ça peut ne pas paraître beaucoup à certains, mais il y a certaines publications récentes qui estiment que le contenu atomique d'une bactérie comme Escherichia coli pourrait représenter "seulement" 22 milliards d'atomes (Cleri, 2016).

Cordialement.

[zyket]

Merci de votre réponse

je viens de me rendre compte en vous lisant, que j'ai fait une grosse confusion entre procaryotes et protistes. Mes années d'études en biologie remontent maintenant à plus de 35ans, mais cela n'excuse pas cette grossière erreur.
Il fallait donc lire : "... protistes et de rotifères qui "s'entre-dévorent" joyeusement" bien que pour tout ce petit monde les procaryotes soient souvent à leur menu.

En tous cas c'est avec plaisir que je suis vos discussions sur le forum de futura sciences

Cordialement

[zyket]

@Geb
Je reviens vers vous avec quelques remarques :

- pour voir in vivo des bactéries, existe-t-il un autre outil que le microscope optique ?

- si je me souviens bien, le pouvoir de résolution d'un microscope optique est physiquement limité (indépendamment de la qualité des optiques) par la longueur d'onde sous laquelle la préparation est éclairée. Aussi il est peut-être impossible de voir le fonctionnement interne d'une cellule du fait de la trop petite taille de certains organites intra-cellulaire ? (je n'ai cherché ni le pouvoir de résolution des microscopes optiques actuels, ni la taille des organites intra-cellulaire, ma remarque n'est donc que pure spéculation)

Cordialement

[Geb]

- pour voir in vivo des bactéries, existe-t-il un autre outil que le microscope optique ?

In vivo, à part la miscroscopie en fluorescence, je n'en connais pas vraiment. Mais il y a quelques années, j'avais évoqué dans une autre discussion, des moyens techniques qui permettent par exemple d'étudier "en direct" le mouvement de protéines :

Coupled protein domain motion in Taq polymerase revealed by neutron spin-echo spectroscopy (Bu & al., 2005)

Activation of Nanoscale Allosteric Protein Domain Motion Revealed by Neutron Spin Echo Spectroscopy (Farago & al., 2008)

- si je me souviens bien, le pouvoir de résolution d'un microscope optique est physiquement limité (indépendamment de la qualité des optiques) par la longueur d'onde sous laquelle la préparation est éclairée. Aussi il est peut-être impossible de voir le fonctionnement interne d'une cellule du fait de la trop petite taille de certains organites intra-cellulaire ? (je n'ai cherché ni le pouvoir de résolution des microscopes optiques actuels, ni la taille des organites intra-cellulaire, ma remarque n'est donc que pure spéculation)

Même si le pouvoir du microscope optique est effectivement limité (en tout cas c'est franchement le cas pour étudier des bactéries), je trouve qu'un documentaire qui ferait état de ses grandes limitations, que nos chercheurs (dont je ne fais pas partie) attaquent de front, ça permettrait de comprendre les limitations de nos modèles, qui parfois (souvent), sont établis à partir d'une série d'images statiques.

Cela est très bien illustré par les chercheurs qui étudient les phénomènes d'auto-organisation dans la cellule, notamment les deux modèles concurrents, tout deux apparus dans les années 1950, du déplacement des protéines le long du cytosquelette : le modèle de la "décharge d'énergie" ("power stroke model") d'une part, et celui du "cliquet brownien" ("brownian ratchet") d'autre part.

Puisque je ne peux plus passer par la discussion sur l'hypothèse de Michael Russell de l'origine de la vie pour pointer vers des messages, j'en avais heureusement touché un mot ailleurs sur le forum :

Je dirais, pour faire court, que le modèle conventionnel de la "décharge d'énergie" et celui du "cliquet brownien" sont deux manières assez différentes d'interpréter les mêmes données expérimentales.

C'est assez bien expliqué dans cette transcription d'un cours (lire en particulier les pages 3 à 10) :

- Self-Organization versus Watchmaker: stochasticity and determinism in molecular and cell biology (Kurakin, 2004)

Un extrait des pages en question :

[...] The traditional textbook interpretation of molecular motors such as kinesin, myosin and dynein portrays these proteins as micromotors functioning much like their would-be macroanalogs. They are often described as “ingenious” nanotechnological devices that convert chemical energy into mechanical work. The repetitive “power strokes” produced by molecular motor are generated as a result of periodical conformational rearrangements of protein structure driven by enzymatic cycle of ATP hydrolysis. According to the conventional view, a small conformational change in the globular motor domain of molecular motors caused by ATP-binding or hydrolysis is amplified and translated into movement of the motor with the aid of additional structural elements [2]. The generalized model of how the power stroke of a kinesin-type motor leads to its directional movement is shown in Fig. 1. According to this model, molecular motors move themselves and the attached cargo by “walking” along cytoskeleton elements such as microtubules or actin filaments. Notice, please, the following:

i) It is an interpretation of experimental data – no one has ever seen a “walking” protein. The “power stroke” model of molecular motors originated, one is tempted to say naturally, as an interpretation of mechanistically trained physicists in the 60s, who were trying to match their mechanistic world outlook and the electron microscopy images of actomyosin complex. The model later was reinforced by biochemical data on actomyosin’s enzymatic cycle of ATP hydrolysis and, relatively recently, in the 90s, by the structural data illustrating fine details of different conformational states of molecular motor proteins [3-6].

ii) It is a very appealing interpretation. Why? Because it appeals our physical intuition that originates from our human scale physical experience and is in harmony with our mechanistic paradigm of the world. It is natural for us to interpret everything as mechanical devices or walking robots. It is an easy sell for our mind.

iii) It is deeply deterministic, clockwork-like interpretation. So many molecular events are precisely coordinated and synchronized in this model, that the impression of “ingenious” design is difficult to avoid. There is no place in this model for fluctuations, mistakes and evolution. [...]

Sauf que depuis la fin des années 1990, il semble que le modèle de la décharge d'énergie semble soumis à des attaques sérieuses et que dans le même temps, celui du cliquet brownien semble accumulé du soutien expérimental.

Pour être tout à fait complet, j'ai moi aussi quelques ajustements à faire. En fait, les estimations du nombre d'atomes dans une bactérie comme E. coli divergent largement. Elles oscillent entre 20 et 1000 milliards d'atomes. Voici ci-après quelques exemples que l'on trouve dans littérature scientifique :

- Energy, Information, and The Origins of Life (Cleri, 2016)

A very idealised example taken from biology is the attempt at calculating the probability of spontaneously forming a bacterium like Escherichia coli, starting from its molecular building blocks. This also offers us an occasion for quantifying some of the molecular components of a cell (see grey box on p. 71), for example we learn there that our little bacterium is made up of something like 22 billion atoms.

- Biomolecular Structure and Modeling: Historical Perspective (Schlick, 2002)

Duan et al. make an interesting 'fanciful' projection on the computational capabilities of modeling in the coming decades [54]: they suggest the feasibility, in 20 years, of simulating a second in the life-time of medium-sized proteins and, in 50-60 years, of following the entire life cycle of an E. Coli cell ( 1000 seconds or 20 minutes, for 30 billion atoms)

- Parallel high-performance grid computing: capabilities and opportunities of a novel demanding service and business class allowing highest resource efficiency (Kepper et al., 2011)

Estimates for molecular dynamics computational times assuming a tenfold CPU speed increase every five years suggest the simulation of a complete Escherichia coli bacterium (10¹¹ atoms) on a nanosecond scale by 2034, a mammalian cell (10¹⁵ atoms) by 2056, and a complete human being (10²⁷ atoms) in real time by 2172 [5].

- For Philosophers and Scientists: A General Systems Paradigm (Taylor, 1973)

Viewed as intrasystemic hierarchies, organisms display enormous complexity — as demonstrated in the simple bacterium, Escherichia Coli, which contains an estimated 2 × 10¹¹ atoms […]

Cordialement.