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Module : Méthodologie scientifique et techniques d’étude du vivant
Niveau : 2éme année Licence
Chapitre : 01
Première partie : Méthodes d’étude de la morphologie des cellules.
I. Méthodes Cytologiques
INTRODUTION La cellule est l’unité structurale et fonctionnelle fondamentales des organismes vivants et en
raison de sa petite taille, la biologie cellulaire à, tout d’abord, besoin d’en obtenir une image
agrandie de bonne qualité. Les microscopes utilisent la déviation d’un flux ondulatoire de
particules, soit non chargées les photons, soit chargées électriquement les électrons au
travers d’un système de lentilles de manière à former un objet à étudier une image agrandie.
Afin d’observer des détails encore plus fins, il faut augmenter la résolution, qui est
généralement proportionnelle à la longueur d’onde de la radiation utilisés pour interférer avec
les structures étudiées.
HISTOIRE SUR L’INVENTION DU MICROSCOPE
Il est difficile de dire qui a inventé le microscope composé. On dit souvent que l'opticien
hollandais Hans Janssen et son fils Zacharias Janssen fabriquèrent le premier microscope en
1590, mais ceci provient d'une déclaration de Zacharias Janssen lui-même au milieu du XVIIe
siècle.
Un autre favori au titre d'inventeur du microscope est Galilée. Il a développé un microscope
composé d'une lentille convexe et d'une autre concave en 1609. Christiaan Huygens, un autre
Hollandais, a développé à la fin du XVIIe siècle un oculaire simple à deux lentilles corrigé
des aberrations chromatiques, ce qui fut un grand pas en avant dans le développement du
microscope. L'oculaire de Huygens est toujours fabriqué aujourd'hui, mais souffre d'un champ
assez réduit et d'autres problèmes mineurs.
On attribue en général à Antoni van Leeuwenhoek (1632-1723) le fait d'avoir attiré l'attention
des biologistes sur les utilisations du microscope, même si des loupes ordinaires étaient déjà
fabriquées et utilisées au XVIe siècle. Les microscopes artisanaux de Van Leeuwenhoek
étaient des instruments simples et de taille réduite comprenant une lentille unique mais forte.
En comparaison, les systèmes à plusieurs lentilles restaient difficiles à mettre au point et il
fallut pas moins de 150 ans de développement des optiques avant que le microscope composé
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I. Méthodes Cytologiques
puisse livrer une qualité d'image équivalente à celle des microscopes simples de Van
Leeuwenhoek.
1. LA MICROSCOPIE
La microscopie est un ensemble de techniques permettant d'obtenir une image des
structures biologiques. Le principe est dans tous les cas le même : une onde est envoyée
sur la préparation ou émise par la préparation. Cette onde est captée par un objectif qui la
concentre et passe par un oculaire qui crée une image observable. Cette image est soit
observée à l'œil nu, soit photographiée, soit enregistrée par caméra et stocké sur ordinateur
pour retraitement.
Aujourd'hui la microscopie est divisée en deux grands groupes, différents par la nature de
la particule élémentaire impliquée : le microscope optique, aussi appelé photonique, parce
qu'il utilise des photons et le microscope électronique qui utilise des électrons pour étudier
l'objet. Afin d’étudier des structures sous microscope optique on utilise un certain nombre
de techniques : préparation des coupes fines, coloration négative, ombrage métallique,
cryodécapage etc…
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.
FIG 01 : les différentes parties du microscope optique.
Cette technique est la plus ancienne utilisée. Le principe de la microscopie est le suivant, la
préparation est éclairée par une lampe. Les molécules à observer vont inter agir avec la
lumière de plusieurs façons :
- soit en absorbant certaines longueurs d'onde de la lumière. C'est la microscopie en
lumière directe.
- soit en provoquant un déphasage des différents rayons lumineux. C'est la microscopie en
contraste de phase.
- soit en émettant de la lumière à une autre longueur d'onde que celle d'origine. C'est la
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I. Méthodes Cytologiques
microscopie à fluorescence.
I- Le microscope optique
Le microscope optique est un instrument d'optique muni d'un objectif et d'un oculaire qui
permet de grossir l'image d'un objet de petites dimensions (ce qui caractérise son
grossissement) et de séparer les détails de cette image (et son pouvoir de résolution) afin
qu'il soit observable par l'oeil humain. Il est utilisé en biologie, pour observer les cellules,
les tissus, en pétrographie pour reconnaître les roches, en métallurgie et en métallographie
pour examiner la structure d'un métal.
Il ne faut pas le confondre avec la loupe binoculaire qui n'exige pas des échantillons plats
de faible épaisseur. Ce microscope il a l’avantage de donner une vue générale des cellules
ou des tissus et aussi de permettre l’examen de cellules vivantes ; mais le pouvoir
séparateur du microscope optique ne peut dépasser 0,2 μm, le grandissement étant au
maximum de 1000.
1. Présentation du microscope optique :
Un microscope optique en général est composé de bas en haut :
• Miroir : sert à réfléchir la lumière ambiante pour éclairer l'échantillon par en dessous,
dans le cas d'un échantillon transparent (par exemple une lame mince en biologie ou en
géologie, ou un liquide) ;
• source de lumière : artificielle de meilleure température de couleur et de stabilité et par
l'usage d'un condenseur qui permet à cette lumière de remplir d'une façon homogène et
régulière le champ observé, et surtout de ne pas faire voir, par son réglage adéquat, les
détails mécaniques de la source de lumière (spires du filament de l'ampoule). La source
d'éclairage peut être plus élaborée et comporter un boîtier indépendant, éventuellement en
lumière polarisée ou ultraviolet, pour faire ressortir certaines propriétés chimiques de la
matière, ou éclairer l'échantillon par-dessus (notamment en métallurgie)
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I. Méthodes Cytologiques
• diaphragme : ouverture de diamètre variable permettant de restreindre la quantité de
lumière qui éclaire l'échantillon. Comme pour un appareil photo, le diaphragme permet
principalement de faire varier la profondeur de champ (ouvert à fond pour des coupes
histologiques et plus fermé pour des recherches d'œufs de parasites digestifs) ;
• platine porte-échantillon : où l'on pose l'échantillon ; les « valets » servent à tenir
l'échantillon lorsque celui-ci est mince (par exemple une lame). La platine peut être
mobile (gauche-droite et avant-arrière), ce qui permet de balayer l'échantillon et de
sélectionner la partie observée ;
• objectifs : lentille ou ensemble de lentilles réalisant le grossissement. Il y a en général
plusieurs objectifs, correspondant à plusieurs grossissements, montés sur un barillet.
Certains objectifs sont dits à immersion car leur puissance ne peut être atteinte qu'en
éliminant la lame d'air entre l'échantillon couvert par la lamelle et la frontale de l'objectif.
On utilise pour cela de l'huile de cèdre ou des huiles de synthèse dont l'indice de
réfraction est proche de celui du verre.
• mise au point rapide et micrométrique ; pour que l'image soit nette, il faut que l'objet soit
dans le plan focal de l'objectif ; ces molettes font monter et descendre l'ensemble objectif-
oculaire avec un système de crémaillère, afin d'amener le plan focal sur la zone de
l'échantillon à observer ;
• oculaire : lentille ou ensemble de lentilles formant l'image d'une manière reposante pour
l'œil ; les rayons arrivent parallèles, comme s'ils venaient de très loin, ce qui permet un
relâchement des muscles contrôlant le cristallin ; deux oculaires placés sur une tête dite
binoculaire rend plus confortable l'observation (même si elle n'apporte pas de vision
stéréoscopique).
L'oculaire peut être remplacé par un appareil photographique, ou dans le cas de
la vidéomicroscopie , pour faire une acquisition numérique. Ceci permet de faire l'observation
sur un moniteur vidéo (écran de type télévision) et de faciliter l'utilisation et le traitement des
images (impression, traitement informatique, télémédecine, etc.).
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2. Principe du fonctionnement du microscope :
Deux types d’observations sont réalisables en microscopie : l’observation par transmission
pour le microscope optique et pour le microscope électronique à transmission et
l’observation par réflexion pour le microscope électronique à balayage.
Donc le microscope travaille en :
Transmission : l’échantillon est traversé par des photons et électrons ; les lentilles de verre
(MO) ou les champs électromagnétiques (MET) permettent l’obtention d’une image qui est
reprise par l’oculaire (MO) ou écran fluorescent (MET).
Réflexion : le microscope ne capte que les rayons réfléchis par les parois de la préparation.
Ce type de microscopie donne une image de la surface des objets et non de leur structure
interne.
L’intensité étant fonction de l’orientation des parois par rapport au système optique, cela
donne une image « en relief » de l’objet. Elles ne sont donc pas applicables à des objets sans
relief comme les coupes de tissus ! Elles nécessitent « un éclairage latéral » de l’objet. Ce
mode de microscopie est peu utilisé, il correspond aux loupes binoculaires ou
stéréomicroscopes, au microscope à fond noir en microscopie optique et au microscope
électronique à balayage (MEB) en microscopie électronique
3. Conditions d’observation en microscopie :
Pour effectuer une observation en microscopie deux exigences s’imposent : l’épaisseur de
l’échantillon et le contraste.
L’épaisseur de l’échantillon : pour une observation par transmission l’échantillon doit
présenter une faible épaisseur afin de permettre le passage du faisceau incident des photons
ou d’électrons d’où la nécessité de faire des coupes très fines. Les coupes exigées en (MO)
varient entre 2 μm à 10 μm et de 0,03μm à 0,05μm.
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Le contraste : L’observation par transmission n’est possible que si certaines régions de la
coupe absorbent les photons ou les électrons plus que d’autres (effet contraste). En règle
générale, les constituants cellulaires présentent des contrastes naturels faibles d’où
l’utilisation de certains artifices tels que les montages optiques qui amplifient les contrastes
naturels comme le microscope à contraste de phase ou des colorants vitaux sélectifs (MO)
ou encore des sels de métaux lourds comme les sels de plomb (ME).
4- COMMENT DETERMINER LE GROSSISSEMENT ET LE GRANDISSEMENT
SOUS MICROSCOPE ?
LE GRISSISSEMENT : ce dernier est estimé selon la règle suivant :
Déterminer la taille d'un objet vu au microscope :
Le grandissement (ou agrandissement) de l’image réalisée (photo) est le rapport entre la
taille réelle et la taille représentée. Il faut donc déterminer la dimension réelle, ce qui est
possible si on connaît la taille du champ visuel pour chaque grossissement.
Ainsi, un objet qui remplit la moitié du champ d’un microscope à × 400 mesure environ 0,1
mm ; s’il mesure 10 mm sur la représentation, celle ci est donc agrandie 100 fois.
a- Calcul de la taille réelle avec le grossissement.
- Je repère le grossissement sur la photographie (X …).
- Je repère l’objet à mesurer.
- Je mesure l’objet sur l’image et je note sa dimension en mm ou cm ( A=….)
- Pour trouver la taille réelle de l’objet mesuré (C), je divise la dimension de l’objet par le
grossissement : C=X
Grossissement du microscope : G = G objectif X G oculaire
Exemples : G = 10 X 10 = 100 G = 40 X 10 = 400 G = 100 X 10 = 1000
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- La valeur obtenue ( C) est la taille réelle mesurée en mm ou cm de l’objet étudié (selon
l’unité utilisée pour la mesure)
- Je convertis la taille réelle en utilisant l’unité la plus appropriée(m):
Exemple : Le grossissement est de X 5000. La dimension mesurée de l’objet étudié (bacille)
est de 0,7cm. (= A)
C=X d’où C= 0.7/5000 = 0,00014 cm = 1,4 µm
Note a bien retenue :
1 cm = 10mm = 10000 µm
1 mm = 0,1cm = 1000 µm
B. Calcul de la taille réelle avec l’échelle.
- Je construis un tableau de proportionnalité tel que le suivant :
Taille mesurée Taille réelle
Echelle Mesurée sur
l’image A
Lue sur l’image
B
Objet étudié Mesurée sur
l’image C
Recherchée D
- Je réalise le calcul grâce aux égalités de proportionnalité :
A×D=B×C d’où D= C×BA = taille réelle de l’objet étudié (dont l’unité sera adaptée afin
d’être la plus appropriée possible)
Exemple :
la photo sur le lien suivant : www.clg-sainteutrope.ac-aix-marseille.fr
Taille mesurée Taille réelle
Echelle A= 1.6 cm 0.09 m
Objet étudié C=1.1 cm Recherchée D
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D=1.1×0.091.6=0.062m =62nm.
5- Types de microscopes optiques :
Un certain nombre de microscopes ayant chacun des montages optiques spéciaux ont été
mis au point pour permettre l’observation des cellules dans certaines conditions et
améliorer la qualité de celle ci. Le développement de ces microscopes répond
principalement à 2 objectifs
- augmenter les contrastes pour mieux visualiser les structures subcellulaires
- améliorer le pouvoir de résolution .
Parmi ces microscopes, nous avons :
a) Microscope à fond noir :
Le microscope à fond noir est un microscope optique utilisé pour augmenter les
contrastes des objets transparents.
Le microscope à fond noir (ou en champ sombre) permet d'améliorer le contraste
d'échantillons qui sont à priori transparents et difficilement observables au microscope
optique classique. La lumière source (transmise) n'atteint pas directement l'objectif ; seule la
lumière diffusée et diffractée par l'échantillon peut être observée en image. Le contraste est
ainsi fortement amélioré, sans nécessiter la coloration d'un échantillon pourtant transparent.
a-1) Utilisation du microscope à fond noir
La microscopie à fond noir est adaptée aux échantillons non colorés. Elle permet d'observer
des structures vivantes et en déplacement comme des bactéries ou des organismes
unicellulaires ( les protozoaires).
b) Microscope à contraste de phase :
Ce type de microscope est largement utilisé pour l’observation de cellules vivantes. Son
principe repose sur l’amplification des contrastes naturels en mettant à profit les différences
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d’indices de réfraction entre les organites ; qu’il transforme en différences d’intensités de
lumières qui sont alors visibles à l’oeil. La base de cette transformation repose sur les
interactions entre les ondes lumineuses : on parle d’interférences. Ce microscope est un bon
outil pour l’observation des mouvements des cellules et de leurs organites tels que les
mitochondrie, les chromosomes, et de suivre les étapes de processus comme la mitose par
exemple. Les images de l’observation peuvent être enregistrées par caméra vidéo, les films
sont ensuite projetés sur un écran de télévision.
c) Microscope à fluorescence :
D’une manière générale, les molécules fluorescentes absorbent des radiations à une longueur
d’onde donnée et émettent des radiations de longueur d’onde plus élevée. C’est le cas des
substances appelées Fluorescéine qui fluoresce en vert et la Rhodamine en rouge sont des
exemples de ce type de substances largement utilisées dans la biologie cellulaire. Ce
microscope est semblable au microscope photonique ordinaire, sauf qu’il est muni d’une
source de rayon Ultraviolet (lampe à UV) et d’un système de filtre qui permet de choisir la
longueur d’onde des UV appropriés pour chaque substance. Il est le plus souvent utilisé pour
détecter les protéines spécifiques ou d’autres molécules rendues fluorescentes par couplage à
un fluochrome ; à titre d’exemple, on peut aussi détecter la présence d’insuline dans une
cellule avec anticorps Anti-insuline marqué par fluorescéine.
c-1) Applications Observation de cellules vivantes.
Etude de la physiologie cellulaire.
Bactériologie (cytométrie sur filtre)
Immunofluorescence (diagnostic clinique: pathologie).
d) Microscope à lumière polarisée :
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I. Méthodes Cytologiques
Il permet de détecter des structures biréfringentes (un corps qui fait double réfractions)
qui ont une organisation moléculaire particulière, telles que les microtubules et les
chloroplastes et parois des cellules végétales. Les photons lumineux passant à travers
certains matériaux tels que les filtres Polaroïd ou certains cristaux (Nicol) en ressortent
"polarisés" : ils ne vibrent plus que dans un seul plan. Si un second filtre Polaroïd est
disposé sur leur trajet on peut par rotation de ce second filtre.Un microscope à lumière
polarisée est équipé de:
(1) Une source lumineuse (lampe ou miroir)
(2) Un polariseur fixe (filtre n°1)
(3) Une platine tournante sur laquelle on dispose la lame mince de l'échantillon à étudier
(4) Des objectifs de divers grossissements (lentille convergente 1)
(5) Un analyseur amovible (filtre n°2 orienté à 90° du polariseur)
(6) Un oculaire (lentille convergente 2) où l'observateur place son œil.
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Le microscope polarisant
d-1) Applications
Observation des régions biréfringentes (structures cristalines et semi-cristalines).
e) Microscope à balayage confocal :
Dans ce type de microscope, l’objet est éclairé par un faisceau laser finement focalisé qui
balai rapidement à un seul niveau n’éclairant qu’un plan mince de l’objet, on parle de
coupes optiques. Les préparations sont souvent traitées par des colorants fluorescents et la
lumière émise par la coupe optique éclairée donne une image sur un écran vidéo.
e-1) Caractéristiques
- Réalisation de coupes optiques
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I. Méthodes Cytologiques
- obtention d’images d’une netteté exceptionnelle.
e-2) Applications de la microscopie confocale :
-Biologie cellulaire: Neurobiologie, biologie moléculaire.
-Visualisation de l’aspect tridimensionnel de la cellule, et examen de l’intérieur des
cellules
- Etude de la physiologie cellulaire et de la biologie moléculaire (exemple: la concentration
de l’ATP et les ions calcium)
- Neurologie
–Immunologie
- Cancérologie
-Génétique
6. Préparation de l’échantillon.
Dans la plupart des cas nous observons des cellules tuées, fixées. La fixation a pour but de
rendre les composés insolubles et résistants aux traitements ultérieurs. Une bonne fixation doit
en quelque sorte immobiliser la cellule dans un état donné à un instant sans faire apparaître
d’artéfacts. Le fixateur le plus employé est le mélange formaldéhyde-alcool. On obtient une
dénaturation des protéines et des acides nucléiques conduisant à une réticulation des groupes
amines par liaisons covalentes. Le fixateur stabilise les accolements protéines-protéine,
protéines-acides nucléiques en les rendant insolubles. Les préparations sont, ensuite incluses
dans la résine ou la paraffine et coupées en tranches de quelques µm d’épaisseur. Contraste Le
pouvoir de résolution du microscope on l’a vu est de 0.2 µm ceci devrait permettre de voir des
organites comme les mitochondries qui mesurent 1 µm. Mais la plupart du temps les
constituants sont transparents c’est à dire qu’ils absorbent la lumière de la même manière que
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les autres constituants. Pour les mettre en évidence il faut utiliser des techniques de contrastes.
La méthode la plus simple est la coloration.
Des substances chimiques se fixent sur des structures particulières pour réaliser des
complexes colorés avec les Protéines, acides nucléiques etc.
*Le tableau sous dessus décrit les propriétés de chaque type de microscope optique :
Type Principe Nécessite Cellules
vivantes
Cellules
fixées
Champs clair
Absorption de la
lumière visible
Coloration
absorbant la
lumière sur
échantillon
mince
non
oui
Fluorescence
Emission de lumière
par molécules
fluorescentes
Marquage des
cellules par
molécules
fluorescente
oui oui
Contraste de
phase
Variation d’épaisseur
et d’index de
réfraction
Cellules plates Oui Oui
Champs noir Dispersion de la
lumière
Spécimen
mince, simple
oui oui
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I. Méthodes Cytologiques
Polarisation Différence d’index de
réfraction pour des
faisceaux
perpendiculaires de
lumière polarisée
Éléments
biréfringents
(ordonnés le
long d’un axe
linéaire
oui oui
II- Les microscopes électroniques
Les microscopes électroniques utilisent des faisceaux d’électrons qui se déplacent selon une
onde (comme la lumière). Lorsque le flux d’électrons est accéléré, la longueur d’onde
diminue et la résolution augmente. Le premier microscope électronique fut réalisé en 1932 par
E. Ruska et M. Knoll. Il existe des microscopes à transmission, à balayage, à effet tunnel, et
à effet de champ.
II-1 Le microscope à transmission
Il est proche dans son principe du microscope optique. Il a été beaucoup utilisé dans l’étude
de l’ultra structure de la cellule vivante et les micro organites. Le faisceau électronique
traverse l'échantillon par le condenseur puis se focalise sur l’échantillon, puis les lentilles
électromagnétiques finalement atteint l’écran fluorescent
pour donné une image sur ordinateur noir et blanc. Les
premières images furent obtenues pour la première fois par
Ernst Ruska en 1931.
Principe :
- Les lentilles magnétiques constituées d'une bobine et
d'un noyau de fer focalisent le faisceau d'électrons.
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I. Méthodes Cytologiques
- La variation de la distance focale permet de faire varier le grandissement (jusqu'à 1 000
000 x) et la mise au point.
Les observations visuelles sont toujours relayées par une prise de photo sur un écran
fluorescent. Pratiquement, il faut utiliser des objets de petite épaisseur (0,01- 0. 2 m) afin
d'être le plus possible transparent aux électrons.
De plus , les échantillons biologiques doivent être déshydratés sinon l'eau présente dans ces
échantillons se vaporiserait immédiatement étant donné la très faible pression régnant dans le
tube vidé de son air.
Analyse d'une image de microscope
électronique à transmission
La photographie ci-contre montre une
cellule de levure grossie 20 000 x qui se
divise par bourgeonnement.
On observe une coupe du noyau, tandis que dans le cytoplasme sont présents des organites
sécrétoires, qui permettent à la cellule de sécréter des protéines dans le milieu extérieur.
II-2 Le microscope à balayage
Le microscope a balayage est semblable a celui a transmission dans le principe de travail,
mais dans le microscope a balayage l’image est formée a partir des électrons qui sont
réfléchies par l’échantillon examiné puis sur un écran télévisé, généralement Le microscope a
balayage est utilisé dans le but d’étudie un échantillon entier ou bien une partie de ce dernier.
exemple la tête d’une fourmis .
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I. Méthodes Cytologiques
Le tableau dessous représente une comparaison entre le microscope optique et le microscope
électronique.
Microscope optique Microscope électronique
• faisceau de lumière
• lentilles optiques
• résolution 0,5 micromètre
• faisceau électronique
• lentilles électromagnétiques
• résolution 0,2 nanomètre
Références bibliographiques
1- CHELLI A (2013). Cours de Biologie Cellulaire .UNIV- ALGER .16PP .
2- TRIQUI Z A (2016). Cours de biologie cellulaire .UNIV EL REBAT.105PP.
3- DIDA N (2013). Microscope optique & Méthodes d’étude de la cellule .UNIV
ORAN.4PP.
4- MARCEL L(2017). La microscopie.
5- SPRING KR, DAVISON MW (2008). Introduction to Fluorescence
Microscopy ; Nikon Microscopy .