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Expérience dans une goutte en lévitation
Pour la toute première fois, des chercheurs ont réussi à analyser la structure d’une protéine dans une goutte de liquide en lévitation.
Connaître la structure exacte des protéines – les molécules qui, dans l’organisme, remplissent des fonctions aussi multiples qu’essentielles – est d’une importance cruciale pour fabriquer de nouveaux médicaments, par exemple. Cette structure protéique est décodée par la technique standard utilisant des rayons X: c’est l’analyse structurale par diffraction des rayons X. Les deux scientifiques, Soichiro Tsujino et Takashi Tomizaki, de l’Institut Paul Scherrer PSI, viennent de perfectionner cette méthode de façon astucieuse: ils ont réussi à décoder par diffraction des rayons X la structure d’une protéine contenue dans une goutte de liquide en lévitation dans l’air. Ils maintenaient la goutte en lévitation à l’aide d’ultrasons. Grâce à cette astuce, ils ont réussi à analyser la structure d’une protéine à température ambiante et donc, dans des conditions très proches des conditions naturelles de l’organisme; un grand avantage par rapport à la méthode classique dans laquelle l’échantillon de protéine est fixé sur un support et doit être ensuite refroidi à très basse température. Soichiro Tsujino et Takashi Tomizaki ont récemment publié leur étude dans la revue spécialisée Scientific Reports.
Deux scientifiques de l’Institut Paul Scherrer (PSI) ont sélectionné une substance porteuse inhabituelle pour étudier une protéine: une goutte de liquide en suspension dans l’air. Ils ont réussi à la faire léviter avec des ultrasons et ont simultanément déterminé la structure de la protéine grâce à la Source de Lumière Suisse SLS. La structure de la protéine utilisée – le lysozyme – étant déjà connue par des mesures précédentes, Soichiro Tsujino et Takashi Tomizaki ont pu prouver que leur méthode fournissait également une structure correcte. Ainsi, pour la première fois, l’analyse aux rayons X de la structure d’une protéine dans une goutte en lévitation a été démontrée avec succès. Le grand avantage de cette nouvelle méthode est qu’elle peut être utilisée à température ambiante.
Protéines: leur structure est déterminante
Les protéines sont présentes dans les cellules de tout être vivant. Il existe un nombre incalculable de protéines de différentes sortes qui remplissent des fonctions multiples dans l’organisme. La fonction spécifique d’une protéine est étroitement liée à sa structure, c’est-à-dire à la forme dans laquelle les éléments de la protéine sont agencés les uns par rapport aux autres. Une connaissance exacte de la structure de la protéine est donc déterminante pour pouvoir développer par exemple des agents médicinaux sur mesure.
En soi, l’analyse structurale par diffraction des rayons X – également dénommée cristallographie aux rayons X – est une méthode avérée. On commence par cultiver de nombreux exemplaires de cristaux de quelques micromètres à partir d’une protéine. Ceux-ci doivent être refroidis à des températures très basses d’environ moins 170 degrés Celsius pour pouvoir être ensuite analysés à l’aide d’un faisceau de rayons X très fin et très intense. Très peu d’installations dans le monde – dont la Source de Lumière Suisse SLS du PSI – peuvent produire un tel rayonnement. Les rayons X diffractés dans l’échantillon contiennent des informations sur la disposition des atomes et donc, sur la structure de la protéine en question. Pour évaluer ces informations, on enregistre la lumière avec un détecteur, puis on l’analyse par ordinateur. À la SLS, trois de la vingtaine des stations de mesures sont spécialisées dans l’analyse structurale par diffraction des rayons X. Ceci a ainsi permis, au cours des dix dernières années, de décoder la structure d’environ 4 000 protéines différentes. La SLS est donc l’une des installations de ce type les plus productives du monde.
Cherchée et trouvée: une méthode d’analyse à température ambiante
Le problème avec la méthode conventionnelle est qu’il faut refroidir les cristaux de protéine, explique le biologiste Tomizaki. On doit procéder de cette manière pour que les rayons X n’endommagent pas les protéines dans le cristal. Toutefois, affirme-t-il,
Nul ne peut garantir qu’à moins 170 degrés Celsius, les protéines conservent leur structure naturelle intégrale – à savoir la structure qu’elles possèdent à la température corporelle dans l’organisme. Tomizaki et le physicien Soichiro Tsujino ont donc cherché une autre méthode qui fonctionnerait à température ambiante et se rapprocherait donc considérablement des conditions présentes dans les organismes vivants.
Ainsi, les deux chercheurs ont eu l’idée d’amener une petite goutte contenant le cristal de protéine dans le rayonnement X. Ils ont lâché une goutte d’à peine plus d’un millimètre de diamètre – 4 microlitres de liquide –en l’air au-dessus d’une plaque spéciale, qu’ils ont fait vibrer avec des ultrasons pour mettre la goutte en lévitation. À la ligne de faisceaux de cristallographie macromoléculaire de la SLS, ils ont réussi à analyser la structure d’une protéine dans cette goutte à température ambiante.
Avec cette méthode de lévitation acoustique, ils ont parallèlement résolu une seconde difficulté: la manipulation des minuscules cristaux de protéine. Lors de l’analyse structurale classique, il faut les fixer laborieusement sur un support d’échantillon. Tsujino et Tomizaki ont simplifié l’opération: la culture de cristaux de protéines s’effectue dans une solution de protéines. Les deux scientifiques prélèvent simplement, avec une pipette, une goutte de cette solution contenant le cristal.
La simplicité de notre méthode en fait en même temps une procédure très économique. Les scientifiques externes qui viendront à la SLS pour analyser la structure des protéines apprécieront beaucoup ces deux avantages, prédit Tsujino.
Une analyse structurale possible grâce à des détecteurs extrêmement rapides
L’idée d’analyser un échantillon à l’intérieur d’une goutte de liquide en lévitation grâce à des ultrasons n’est pas complètement nouvelle. Toutefois, jusqu’à présent, aucune équipe de recherche n’avait encore réussi à analyser de cette façon la structure d’une protéine par diffraction des rayons X.
Notre démarche ne pouvait donc aboutir que grâce aux détecteurs au traitement des données extrêmement rapide dont notre ligne de faisceaux de la SLS est équipée, explique Tsujino. Cette rapidité de traitement est nécessaire car le cristal baignant dans la goutte ne reste pas fixe, mais se déplace de façon constante et incontrôlée tout en tournant autour de son propre axe. Lors de l’analyse structurale classique par diffraction des rayons X, on obtient d’abord une image de points individuels lumineux. On détermine la structure de la protéine à partir de la position de ces points.
Cependant, sous l’effet de la rotation continue du cristal dans la goutte, ces points s’étaleraient sur des lignes – une analyse structurale classique est alors exclue, explique Tsujino. Les détecteurs ultra-rapides de DECTRIS – une entreprise spin-off du PSI – ont apporté ici la solution: avec le détecteur EIGER X 16M, les chercheurs ont pu prendre 133 clichés par seconde. Ainsi, chaque temps d’exposition était si bref, que le cristal semblait immobile. On peut comparer cette situation à la photographie d’un sportif: ici aussi, les temps d’exposition doivent être brefs pour que le sportif n’apparaisse pas flou sur l’image.
Le mouvement incontrôlé du cristal constitue un double avantage
Le mouvement du cristal à l’intérieur de la goutte est totalement incontrôlé, ce qui n’est pas un problème pour les chercheurs: les rayons X déviés – c’est-à-dire diffractés – contiennent également des informations sur l’angle sous lequel le cristal a été éclairé. Ainsi, la rotation du cristal s’est avérée au contraire avantageuse: après plusieurs milliers d’images, le cristal a été éclairé sur toutes ses faces, ce qui a rendu possible une analyse structurale parfaite.
Des milliers d’images, cela peut paraître beaucoup, mais grâce au traitement rapide des images de notre détecteur, nous n’avons besoin que de quelques minutes pour les prendre, commente Tsujino.
Nous voulons par la suite répéter l’expérience avec un autre détecteur, le EIGER 1M, qui peut traiter trois mille images par seconde. Nous pourrons ainsi enregistrer toutes les données nécessaires en environ une seconde.
C’est également grâce aux rotations et aux mouvements continus du cristal dans la goutte que les mesures ont pu être effectuées à température ambiante: le diamètre du rayon X, de 10 micromètres, est nettement inférieur au diamètre du cristal de protéine qui, avec ses 200 micromètres, est deux fois plus gros que celui d’un cheveu humain. Le rayon n’atteint donc toujours qu’une petite partie du cristal. Le mouvement continu du cristal garantit qu’aucune zone n’est exposée assez longtemps aux rayons pour être endommagée.
Nous pourrions aussi certainement fabriquer un support d’échantillons exécutant un mouvement et une rotation aussi rapides que ceux du cristal. – Mais à quoi bon, lorsque le cristal en lévitation dans la goutte tourne de lui-même et de façon beaucoup plus économique? s’amuse Tsujino.
Réussite prouvée par une protéine déjà connue
Tsujino et Tomizaki ont pu démontrer le potentiel de leur méthode sur la protéine lysozyme: sa structure est déjà connue grâce à la méthode d’analyse structurale par diffraction des rayons X. Après comparaison avec cette protéine, les deux chercheurs ont évalué comme correcte la structure qu’ils ont récemment déterminée dans leur goutte en lévitation.
Les chercheurs ont également pu démontrer que la protéine utilisée dans leur méthode n’avait vraiment subi aucun dommage dû au rayonnement X.
Collaboration avec une spin-off du PSI
Dans l’intervalle, Tsujino et Tomizaki travaillent aussi avec une autre spin-off du PSI: l’entreprise leadXpro AG dont le siège social est à PARK innovAARE, sur le site du PSI. Les collaborateurs de leadXpro ont été fascinés par le fait que la méthode des deux chercheurs du PSI ait considérablement réduit la durée nécessaire à l’analyse structurale d’une protéine par diffraction des rayons X. Les chercheurs du PSI et les scientifiques de leadXpro veulent maintenant améliorer cette nouvelle méthode. Cette collaboration concrète est actuellement financée pendant deux années et demie par la Commission pour la Technologie et l’Innovation (CTI).
Texte: Institut Paul Scherrer/Laura Hennemann
À propos du PSI
L'Institut Paul Scherrer PSI développe, construit et exploite des grandes installations de recherche complexes et les met à la disposition de la communauté scientifique nationale et internationale. Les domaines de recherche de l'institut sont centrés sur la matière et les matériaux, l'énergie et l'environnement ainsi que la santé humaine. La formation des générations futures est un souci central du PSI. Pour cette raison, environ un quart de nos collaborateurs sont des postdocs, des doctorants ou des apprentis. Au total, le PSI emploie 2000 personnes, étant ainsi le plus grand institut de recherche de Suisse. Le budget annuel est d'environ CHF 370 millions. Le PSI fait partie du domaine des EPF, les autres membres étant l' ETH Zurich, l'EPF Lausanne, l’Eawag (Institut de Recherche de l'Eau), l'Empa (Laboratoire fédéral d'essai des matériaux et de recherche) et le WSL (Institut fédéral de recherches sur la forêt, la neige et le paysage).
(Mise à jour: mai 2016)