Bioimagerie Photonique, la microscopie haute-résolution à l’heure de l’intelligence artificielle
Observer les mécanismes du vivant pour mieux comprendre et combattre des maladies comme les cancers, le virus du sida ou les tumeurs cérébrales, voilà des exemples de ce que la microscopie de haute technologie promet aujourd’hui. Sans compter l’identification de molécules qui participeront demain à l’élaboration de nouveaux médicaments. Mais ces outils sont extrêmement coûteux. C’est pourquoi, l’Institut Pasteur s’est doté, dès les années 2000 de plateformes technologiques qui centralisent et mutualisent ces systèmes. Celle de Bioimagerie Photonique, spécialisée en microscopie optique, est l’exemple même d’une plateforme qui relève en permanence des défis technologiques. Reportage.
Pour mieux comprendre la vie d’un laboratoire et le travail quotidien des chercheurs, le Journal de la Recherche vous propose de rencontrer régulièrement les équipes de l’Institut Pasteur. Lorsqu’on décide de plonger au cœur d’une unité de recherche, les questions se bousculent. Des questions, les scientifiques s’en posent aussi beaucoup. Tous les jours. Grâce à ces reportages réguliers, découvrez leurs métiers, le rôle et les espoirs de chacun.
Sur le campus parisien de l’Institut Pasteur, la plateforme de Bioimagerie Photonique (PBI) se situe au 1er étage du Centre François Jacob. Ce bâtiment porte le nom de ce chercheur de l’Institut Pasteur, prix Nobel de médecine en 1965, qui a ouvert la voie, avec André Lwoff et Jacques Monod, à la biologie moléculaire moderne.
Quand on passe la porte de la PBI, tout laisse à croire qu’il s’agit d’un laboratoire de recherche relativement ordinaire, un lieu assez vaste où s’enchevêtrent des bureaux doubles, des paillasses garnies d’appareils en tout genre et des salles plus intimistes dotées d’ordinateurs. Or, on accède sans le savoir au fer de lance technologique de l’Institut Pasteur.
Les nombreuses plateformes technologiques présentes sur le campus pasteurien centralisent les technologies les plus coûteuses, que les chercheurs peuvent venir manipuler quotidiennement pour accélérer leurs projets scientifiques. Le rôle de la plateforme de Bioimagerie Photonique ne se limite toutefois pas à cette offre de libre-service : les experts qui composent l’équipe, des ingénieurs/chercheurs pour la plupart, font évoluer les technologies au gré des besoins scientifiques et surtout forment les chercheurs à l’utilisation des systèmes. C’est le cœur du métier : la « formation pour l’utilisation autonome des systèmes ». Entre innovation de « haute voltige » et transmission des savoirs technologiques.
Un «QG» de l’ingénierie technologique au service de la recherche
Le Centre de ressources et recherches technologiques (C2RT) regroupe toutes les plateformes de l’Institut Pasteur au sein de sa direction de la technologie et des programmes scientifiques. Parfois, les plateformes sont adossées à des activités de recherche technologique, l’ensemble formant une Unité de Technologie et de Service – UtechS qui répond aux mêmes impératifs d’expérimentations, de publications et de financement que les autres Unités de recherche de l’Institut Pasteur. Y-a-t-il une différence entre un chercheur d’unité et un ingénieur de plateforme ? Pour Spencer Shorte, responsable de l’UTechS PBI et, depuis 2018, directeur scientifique de l'Institut Pasteur de Corée*, « il n’y a qu’en France que l’on fait cette distinction. Dans les pays anglo-saxons, il n’y en a aucune. Si l’on veut repousser les limites technologiques, il faut émettre des hypothèses et tout mettre en œuvre pour les vérifier ». Spencer Shorte fait son entrée en 2001 en tant que responsable de plateforme à l'Institut Pasteur. En 2005, il crée une structure avant-gardiste : l’Imagopole, un véritable « QG » de l’ingénierie technologique au service de l’Institut, soutenant de nombreuses découvertes en sciences de la vie. Des experts en microscopie (électronique et optique) et en cytométrie appliquées à la recherche fondamentale et translationnelle. « A l’époque, c’était un peu le Wild West technologique. Il fallait se doter de ce type de pôle de services et d’équipements de pointe. C’était devenu un enjeu européen », se rappelle Spencer. Une transition qui n’était pourtant pas à la portée de tout le monde, les plateformes nécessitant un investissement conséquent avec un recrutement de scientifiques experts et des outils aussi coûteux à financer qu’à maintenir en état de marche. Le « prix de la recherche ». Mais la valeur ajoutée est telle que, depuis 20 ans, ces plateformes concourent très concrètement à l’excellence pasteurienne. « Un chercheur peut aujourd’hui constituer une équipe relativement restreinte tout en s’appuyant sur les plateformes et la multidisciplinarité inhérente à l’Institut pour mener des projets d’envergure, souligne Spencer.
* L'Institut Pasteur Corée est reconnu pour son utilisation des technologies d'imagerie pour le criblage phénotypique chimique-génomique dans la découverte de médicaments et la recherche fondamentale sur l'infection et le cancer.
De gauche à droite :
Régis Tournebize, Ioanna Theodorou, Julien Fernandes, Elric Esposito, Jong Eun Ihm, Adeline Mallet (UBI), Seoyoung Lee, Cidalia Da Agra, Nathalie Aulner.
Une multidisciplinarité essentielle pour faire vivre ces plateformes
La nécessité de tendre vers la transversalité se retrouve à toutes les strates de la plateforme de Bioimagerie Photonique. Dans la composition de l’équipe tout d’abord, équipe encadrée par Nathalie Aulner, responsable de la plateforme, et composée d’une douzaine de personnes aux sensibilités, parcours et expertises complémentaires. Ingénieurs, chercheurs, administratifs, étudiants unissent leurs forces pour répondre aux exigences récurrentes de la recherche. La plupart sont des permanents, ils assurent la continuité du service. « Il y a une cohérence, nous nous connaissons bien. C’est très favorable à notre synergie. Ce sont des métiers où il n’y a pas vraiment de turn-over, les profils sont rares », souligne Cidalia Da Agra, assistante. Chacun est doté d’une spécialité, comme Elric Esposito l’ingénieur-physicien « recherche et développement » de la PBI qui customise les microscopes pour répondre à des besoins spécifiques ou Ioanna Theodorou, ingénieure experte en imagerie in vivo qui emploie une partie de son temps à mettre au point des méthodes d’observation innovantes.
Toutes et tous ne se cantonnent pas cependant à leur domaine d’expertise et sont capables de se suppléer notamment pour encadrer les séances de formation des chercheurs. « On interagit beaucoup entre nous, mais aussi avec les utilisateurs. Nous sommes associés à des projets très différents. C’est grâce à toutes ces interactions que nous arrivons à être si transversaux », analyse Ioanna. La transversalité au cœur du service à délivrer.
Nous devons rester à l’écoute de la satisfaction de nos 300 utilisateurs annuels et savoir nous remettre en question pour répondre toujours plus efficacement à leurs demandes.
Le parcours de Nathalie Aulner débute par une école d’ingénieur en biochimie avec une spécialité en génétique microbienne. Elle revient ensuite à la recherche fondamentale en entamant un doctorat sur l’étude de la structure des chromosomes durant le développement de la drosophile. Cette petite mouche du vinaigre sera aussi le sujet central de son post-doctorat réalisé aux Etats-Unis. C’est outre-Atlantique qu’en 2006, Spencer Shorte lui propose de rejoindre son équipe parisienne. Nathalie Aulner intègre l’Institut Pasteur comme ingénieure à l’Imagopole trois ans plus tard, en 2009. Depuis qu’elle dirige la plateforme par intérim en l’absence de Spencer devenu entre-temps directeur scientifique de l'Institut Pasteur de Corée, ses journées oscillent entre la gestion des activités, du personnel, du matériel et la formation des utilisateurs. « Depuis mon arrivée, j’ai pu évoluer vers le management de groupe. J’ai eu un mentor fantastique pour cela en la personne de Spencer. Mes fonctions de responsable de la plateforme permettent à celui-ci de mener à bien d’importants projets européens, à la mesure de son envergure ».
Accélérer les projets
Quand elle ne manage pas son groupe, Nathalie poursuit ses activités antérieures à sa prise de poste par intérim, entre formation pour l’utilisation autonome des systèmes de microscopie automatisée et collaborations scientifiques. « On étudie des éléments pathogènes vivants, les interactions entre le pathogène et la cellule qu’il va infecter », précise Nathalie Aulner.
Autre mission : elle s’assure que les utilisateurs sont bien satisfaits par les prestations de la plateforme tant au niveau du recueil des besoins que de leur formation et des livrables. « Depuis 2007, nous disposons du label qualité ISO9001. Nous devons rester à l’écoute de la satisfaction de nos 300 utilisateurs annuels et savoir nous remettre en question pour répondre toujours plus efficacement à leurs demandes », souligne-t-elle. Ce label a bien évidemment une résonnance sur les recherches de financements pour la maintenance et le renouvellement des systèmes dont elle a la charge avec Spencer.
Pour Nathalie Aulner, les chercheurs et ingénieurs qui évoluent au sein de cette plateforme doivent avant tout être des facilitateurs. Se mettre au service de la science, déployer leur expertise pour accélérer les projets et maintenant s’adapter à la nouvelle donne de l’intelligence artificielle appliquée à la microscopie.
L’analyse d’images biologiques soutenue par l’intelligence artificielle
Lorsque les chercheurs du campus de l’Institut Pasteur – la majeure partie des utilisateurs des plateformes, environ 300 à l’année - émettent une demande à la PBI, il leur est demandé de la préciser en tête-à-tête. C’est l’Open Desk. S’ensuit, au sein de la plateforme, une discussion collégiale sur le meilleur protocole de prise en charge des demandes. La somme des approches de chacun(e) constitue souvent la réponse la plus pertinente. Une fois la demande qualifiée, les chercheurs-utilisateurs sont formés à l’utilisation du système choisi. Le but : les rendre totalement autonomes pour produire eux-mêmes les images qui viendront éclairer une hypothèse de recherche ou finaliser une publication scientifique.
Le produit fini, c’est donc l’image du vivant. La microscopie optique est la seule à permettre l’observation d’éléments vivants dans des cellules en culture ou des modèles expérimentaux. L’activité de la PBI est focalisée sur l’étude des interactions hôte-pathogène et sur l’imagerie à haut contenu. Elle permet d’observer en temps réel des phénomènes pathologiques comme l’invasion d’un tissu par une bactérie ou le mouvement de cellules métastatiques, grâce à l’utilisation en routine d’agents fluorescents qui permettent de marquer des cellules, des bactéries ou des virus pour suivre leur itinéraire dans l’organisme. L’analyse de l’image, c’est l’étape d’après. S’il arrive que la plateforme de Bioimagerie Photonique livre une interprétation des visuels obtenus, les chercheurs ont souvent recours au Hub d’analyses d’image, dirigé par Jean-Yves Tinevez, ou encore aux équipes de bioinformatique présentes sur le campus. « De plus en plus, ce qui est produit par la plateforme ne peut plus être traité, analysé humainement. L’intelligence artificielle est devenue une absolue nécessité depuis quelques années », rappelle Nathalie Aulner. L’intelligence artificielle au service de la compilation et de l’analyse d’images biologiques produites en quantité toujours plus astronomique constitue l’enjeu principal en matière d’innovation technologique.
« On est à l’aube de découvertes technologiques sans précédent utilisant l’intelligence artificielle pour l’analyse et le traitement des données », explique Spencer Shorte. L’installation à l’Institut Pasteur en juillet 2018 du « cryomicroscope » à très haute résolution Titan Krios™ illustre bien cette perspective : ce microscope dernière génération, dont la résolution peut atteindre l’échelle atomique (quelques dixièmes de nanomètres), est capable d’observer jusqu’à 12 échantillons de manière simultanée et de lancer une collecte d’images sur plusieurs jours. L’analyse de masse doit impérativement s’aligner sur les progrès technologiques fulgurants des systèmes d’observation.
Combiner différentes techniques d’observation
Chaque technologie a ses limites. La microscopie optique est inefficiente au-delà d’une certaine résolution et n’offre qu’un angle de vue parmi d’autres. « C’est le triangle des frustrations : la résolution ne peut être obtenue qu'au détriment de la vitesse et de la sensibilité, la sensibilité ne peut être obtenue qu'au détriment des résolutions spatiale et temporelle et la vitesse ne peut être obtenue qu'au détriment de la résolution spatiale et de la sensibilité », s’amuse Nathalie Aulner. C’est pourquoi, les chercheurs combinent souvent différentes techniques d’observation sur un même projet. Démultiplier les angles d’approche en somme. « Les projets corrélatifs nécessitent parfois une collaboration entre l’optique et l’électronique. Dans ce cas-là, on s’associe à la PBI pour recueillir le besoin. Les interactions transversales entre les différentes plateformes sont essentielles. », explique Adeline Mallet, ingénieure de recherche au sein de l’unité de Bioimagerie Ultrastructurale (microscopie électronique). Les collaborations entre plateformes font partie de l’ADN de l’Institut Pasteur et font écho à son interdisciplinarité : de la spectrométrie de masse à la biophysique moléculaire en passant par la cristallographie, les domaines d’expertises sont nombreux et leur transversalité amplifie d’autant leur efficacité.
Le sens du service : une qualité indispensable pour travailler au sein d’une plateforme
L’arrête dorsale des plateformes réside sans conteste dans le sens du service. « Renoncer à notre égo, chercher à trouver des solutions pertinentes aux problématiques rencontrés par les chercheurs pour leur apporter des solutions innovantes», souligne Nathalie Aulner.
« Il faut être sociable. Il faut aimer rendre service, faciliter le travail des autres. En plateforme, les ingénieurs ont tendance à être beaucoup plus en retrait que dans une unité de recherche où ils assurent bien souvent la continuité dans des équipes à géométrie variable. Une personne individualiste trouvera difficilement sa place sur une plateforme », analyse Adeline Mallet. La reconnaissance est avant tout une affaire de citation dans les publications. Car si ces plateformes sont avant tout vouées à accélérer la recherche, elles n’en demeurent pas moins tributaires des mêmes impératifs que les unités de recherche.
« Publier pour avancer ».
Cidalia Da Agra, assistante
Entre 2007 et 2015, Cidalia Da Agra expérimente différents types d’emplois : assistante au sein d’une radio locale dans le Loir-et-Cher, puis au sein de TBWA à Boulogne Billancourt où elle occupe le poste d’assistante au pôle relations presse et communication de crise. En 2014, elle est assistante à Matignon, au service communication et presse du Premier Ministre, un travail très cloisonné, en silo et sans aucune flexibilité. « Même si je trouvais mes expériences dans la communication enrichissantes, ça manquait de sens », souligne-t-elle.
Elle entre alors à l’Institut Pasteur en postulant à une annonce publié sur pasteur.fr. On est en juin 2015. Cidalia Da Agra intègre en tant qu’assistante l’unité de biologie de Plasmodium et vaccins dirigée par Chetan Chitnis et est affiliée dans le même temps au CEPIA, une plateforme technologique spécialisée dans la production et l’infection d’anophèles. Rapidement, on lui demande de choisir entre unité et plateforme. Elle devient alors l’assistante des plateformes de Bioimagerie Photonique (PBI), de Bioimagerie Ultrastructurale (UBI) et du Hub d’analyse d’images.
Son activité au quotidien, outre le travail de base d’une assistante (courriers, rendez-vous, réunions), consiste à alléger la charge de ses collègues, les dégager des lourdeurs administratives pouvant les freiner dans leurs expertises respectives. C’est une facilitatrice. Et Cidalia Da Agra s’adapte à la configuration de ses équipes, toujours en mouvement. « La réussite de mon travail se joue davantage à la machine à café qu’au téléphone ou en réunion. Je me dois d’être proactive, d’aller à la rencontre des autres. On ne travaille pas du tout en silo ». Pour autant, elle est attendue à la réunion d’organisation du lundi où l’on parle des demandes formulées par les chercheurs mais aussi d’hygiène et sécurité et de la démarche qualité ISO 9001, délivrée à PBI par l’AFNOR qui contrôle son application via un audit. Cidalia interagit aussi régulièrement avec ses pairs : tous les 15 jours, elle rencontre les autres assistantes du Centre de Recherches et Ressources Technologiques (C2RT) pour partager autant les réussites que les freins éventuels rencontrés dans son activité.
Elle s’épanouit à l’Institut Pasteur : « Je suis très heureuse de travailler ici, je me sens fière de travailler pour un institut aussi diversifié et multidisciplinaire même si la lenteur des procédures est parfois frustrante. Mon but, c’est d’aider les gens et de leur proposer des solutions immédiates ». Fière d’être au service des autres.
Elric Esposito, ingénieur de recherche
La possibilité pour des chercheurs de manipuler des microscopes complexes sans l’aide d’un ingénieur date d’une quinzaine d’années. C’est à cette époque qu’Elric Esposito entame ses études de physique au Royaume-Uni après un D.U.T. obtenu à Marseille. Après son MSc en physique des lasers, Il officie 3 ans durant en Ecosse en tant qu’ingénieur systèmes laser dans l’industrie et quitte son travail pour effectuer une thèse. En 2010, Il rentre en France et se lance successivement dans 2 post-doctorats. « Je ne me définis pas comme biologiste. Mon expérience professionnelle depuis que je suis rentré en France m’a sensibilisé à la biologie et aux neurosciences mais ma formation, c’est la physique : contrôler et manipuler la lumière en étudiant ses interactions avec des tissus », remarque Elric.
En septembre 2018, Spencer Shorte cherche un nouveau collaborateur pour assurer la fonction « recherche et développement » de la plateforme de Bioimagerie Photonique. Avec comme objectif de disposer d’un maximum de modalités technologiques pour répondre efficacement aux problématiques des chercheurs toujours plus nombreuses et urgentes. « Cela correspondait parfaitement à mon profil », s’exclame Elric Esposito qui fait alors son entrée à l’Institut Pasteur. Avec pour mission d’apporter son expertise sur la fabrication de systèmes (hardware), notamment en recyclant et en customisant du matériel devenu obsolète. Le recyclage est avantageux à tous points de vue : financier bien sûr car le renouvellement technologique coûte extrêmement cher, écologique car ce type de déchet n’est pas simple à éliminer, mais aussi stratégique car Elric est capable d’améliorer un microscope du marché pour répondre à des questions très spécifiques émanant du campus. Ce « tuning » a aussi une résonnance chez les fabricants qui font évoluer leur offre en fonction de ce type de retours clients.
La fonction d’Elric est dédiée à 50% au service (formation des utilisateurs), et pour 50% au développement. Il interagit avec les fournisseurs mais également avec les unités de recherche pour promouvoir de nouveaux systèmes acquis par la plateforme et voués à être mutualisés. Il est sollicité pour son expertise technique dès qu’un microscope est en cours d’acquisition. Arrivé récemment, il a déjà trouvé sa place et apprécie la variété des projets qu’il traite. « J’aime pouvoir offrir tout un éventail de technologies au service des problématiques des chercheurs. Transmettre le savoir est aussi une expérience enrichissante. La renommée de l’institut Pasteur et les problématiques en jeu permettent d’avoir une oreille peut être plus attentive de la part des fabricants sur les innovations possibles », se réjouit-il. Une stimulation indéniable pour qui aime relever des défis.
Adeline Mallet, ingénieure au sein de la plateforme BioImagerie Ultrastructurale
Parce que la microscopie électronique ne permet pas d’observer le vivant, la plateforme de Biolmagerie Ultrastructurale collabore régulièrement avec celle de Bioimagerie Photonique. Adeline Mallet débute toute jeune, à 21 ans, sa carrière à l’Institut Pasteur, dès sa sortie de licence « Industries chimiques et pharmaceutiques ». Technicienne supérieure au sein de la plateforme de Bioimagerie Ultrastructurale (UBI) dirigée par Jacomina Krijnse Locker, elle décide d’évoluer en reprenant des études très ciblées d’« Ingénierie de plateforme » à l’université Paris Diderot. En 2017, alors ingénieure, elle poursuit encore son évolution en entamant une thèse qu’elle est en train de terminer cette année. « Je suis l’exemple même d’une évolution de carrière en interne. Rares sont les instituts qui encouragent une telle démarche en parallèle d’une fonction d’ingénieure ». Et pour couronner le tout, Adeline Mallet enseigne également à l’extérieur à des étudiants de licence et de master. C’est bien cette curiosité qu’entretiennent ces expert(e)s et leurs parcours respectifs souvent très variés qui confèrent aux plateformes leur capacité à répondre à des questions de science multidisciplinaires.
Adeline fait partie d’une équipe de quatorze personnes. Sa spécialité : la microscopie à balayage et plus particulièrement la microscopie 3D. Elle assemble des images de cellules collectées via des systèmes de dernière génération permettant de combiner morphologie de surface et informations intracellulaires de l’ordre du nanomètre. Au-delà de la production d’images pour les chercheurs, la plateforme collabore aussi avec des hôpitaux. « Actuellement nous avons une collaboration avec le Service d'Anatomie et Cytologie Pathologique de l’Hôpital Necker-Enfants Malades / AP-HP. Des médecins et des techniciens travaillent sur nos systèmes notamment pour du diagnostic ».
La plateforme de Bioimagerie Ultrastructurale est associée à une unité de recherche (UTechS). « Cette dualité est cruciale : on peut s’appuyer sur le projet de recherche pour développer de nouvelles méthodes et les chercheurs intégrés à la plateforme répondent, eux, à leurs questions biologiques en ayant recours aux systèmes. C’est vraiment un bel échange », précise Adeline.
Pour elle, les qualités essentielles pour évoluer au sein de sa plateforme sont la sociabilité et la disponibilité. « Il faut aimer rendre service. C’est une autre typologie d’ingénieur(e)s que celle que l’on trouve dans les laboratoires ». Si un microscope tombe en panne, peu importent sa thèse ou ses cours, Adeline se doit d’identifier immédiatement une solution pour ne pas pénaliser les utilisateurs. Disponibilité et sens du service.
