Capteur biologique de lumière filmé en pleine action

La molécule rétinal est une forme de la vitamine A et elle a une importance centrale pour les hommes, les animaux, certaines algues et de nombreuses bactéries. Dans la rétine de l'œil humain, le rétinal déclenche le processus de la vision en changeant de forme sous l'effet de la lumière. Certaines bactéries utilisent aussi cette réaction pour pomper des protons et des ions à travers la membrane cellulaire. A l'image des centrales d'accumulation qui existent dans les Alpes, l'énergie de la lumière peut ainsi être stockée et ensuite mise à disposition en cas de besoin sous forme de carburant biologique. Pour que l'utilisation de la lumière soit efficace, la molécule de rétinal est intégrée dans des protéines qui jouent un rôle décisif dans le pilotage du processus. La réaction du rétinal qui est guidée par les protéines compte parmi les processus biologiques les plus rapides et se produit en l'espace de 500 femtosecondes (une femtoseconde correspond à un millionième de milliardième de seconde). C'est environ un billion de fois plus rapide qu'un battement de cils, souligne Jörg Standfuss qui dirige au PSI le groupe de cristallographie à resolution temporelle dans le domaine de la biologie et de la chimie. Les chercheurs du PSI ont pour la première fois mis en évidence ce qui se passe à l'échelle des atomes par le biais de 20 clichés qu'ils ont assemblés pour en faire un film moléculaire. Personne n'a jusqu'ici mesuré une protéine de rétinal de manière aussi rapide et précise, fait valoir Jörg Standfuss, responsable de l'étude.

Le film montre les passages entre les états principaux du rétinal pendant les 10 premières picosecondes après l'activation dans la poche de liaison de la bactériorhodopsine. (Vidéo: Institut Paul Scherrer/Przemyslaw Nogly et Tobias Weinert)

Les chercheurs ont étudié la protéine bactériorhodopsine qui est présente dans des microbes simples. Lorsque la molécule de rétinal capture une particule de lumière, elle modifie sa forme originelle allongée qui devient incurvée, comme un chat faisant le gros dos, relève le chercheur du PSI. De telles modifications sont aussi observées lorsque le rétinal est examiné dans une solution sans protéine. Mais il se produit alors différentes réactions qui sont par ailleurs moins productives. Les protéines ressemblent à des fabriques dans lesquelles les réactions chimiques se déroulent de façon particulièrement efficace, note Jörg Standfuss. Nous avons voulu voir comment cette interaction entre protéine et molécule fonctionne.

Observation surprenante

Les chercheurs ont découvert que des molécules d'eau à proximité du rétinal jouaient un rôle déterminant. Ils ont pu observer comment ces molécules d'eau se déplaçaient de côté, laissant ainsi de la place à la molécule de rétinal pour faire son gros dos, dans le jargon spécialisé une isomérisation cis-trans. Ce que personne n'avait vu jusqu'ici a surpris Jörg Standfuss, comme il le précise à l'aide de la comparaison avec le chat. On s'attend à ce qu'un chat fasse le gros dos pour chasser un congénère. Or, ici, le deuxième chat s'enfuit avant même que le premier ait fait le gros dos. Des simulations sur ordinateur ont confirmé les résultats des mesures qui s'expliquent du fait de processus quantiques ultrarapides.

A côté de la réaction du rétinal, les chercheurs ont pu apporter la preuve de tremblements de protéine qui avaient fait l'objet de prédictions théoriques. Toute l'énergie lumineuse qui tombe sur la protéine n'est en effet pas utilisée pour le gros dos du chat. L'énergie excédentaire n'est apparemment pas libérée sous forme de chaleur mais de vibrations de la protéine.

Nouvelles mesures prévues au SwissFEL

Pour effectuer leurs prises de vue, les chercheurs du PSI se sont rendus en Californie, au LCLS, le laser à rayons X à électrons libres de Stanford. A l'avenir, de tels films pourront être réalisés directement au PSI grâce à la nouvelle installation SwissFEL. Lors des analyses de ce type, l'échantillon est soumis à des impulsions de rayons X extrêmement courtes et intenses, ayant la qualité de laser. Les rayons X sont déviés à travers l'échantillon dans différentes directions et génèrent des schémas de diffraction qui permettent de déterminer la structure originelle.

Les échantillons utilisés par les chercheurs sont de minuscules cristaux dans lesquels la bactériorhodopsine est étroitement emballée dans un état ordonné. Le capteur de lumière est stimulé par une courte impulsion provenant d'un laser optique. Le flash de rayons X n'atteint le cristal et n'éclaire la scène qu'ensuite. Le temps entre le signal optique et le flash de rayons X définit dans quelle mesure la réaction est déjà avancée. Quelques clichés réalisés à divers moments sont alors assemblés pour constituer un film.

La cristallographie sérielle utilise des cristaux qui sont injectés dans un rayon X. Lors de la rencontre entre le rayon et le cristal, les rayons de lumière sont déviés. Ces rayons déviés sont enregistrés par un détecteur. Grâce aux schémas lumineux générés par de nombreux cristaux identiques sur le détecteur, il est possible de déterminer la structure de ces cristaux. Pour des expériences à résolution temporelle, on a recours en plus à un laser optique afin d'activer les biomolécules à des moments définis. (Vidéo: Institut Paul Scherrer/Mahir Dzambegovic)

Après leurs recherches sur la bactériorhodopsine, les scientifiques du PSI entendent analyser, à l'aide du SwissFEL, le rétinal dans la rhodopsine présente dans nos yeux. Des protéines similaires contenant le rétinal peuvent aussi être intégrées de manière artificielle dans des cellules nerveuses, afin d'activer ces dernières de façon ciblée avec la lumière et d'analyser leur fonction. Grâce à ces protéines de rétinal, il est possible d'activer une région choisie du cerveau à l'aide de la lumière, indique Jörg Standfuss, en précisant qu'il s'agit d'un des objectifs de l'optogénétique. Les mesures effectuées grâce au SwissFEL doivent contribuer à améliorer des applications de ce nouveau domaine de recherche.

Text: Barbara Vonarburg

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 2100 personnes, étant ainsi le plus grand institut de recherche de Suisse. Le budget annuel est d'environ CHF 390 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 2018)