Faire toute la lumière sur les biomolécules et certains processus ultra-rapides

Le 16 mai 1960, l'ingénieur américain Theodore Maiman réalisait une expérience qui lui permettait de produire la première lumière laser. C'est pourquoi l'UNESCO a choisi cette date pour la nouvelle Journée internationale de la Lumière. La nouvelle grande installation de recherche au PSI, logée dans un bâtiment souterrain qui forme un long tunnel de 740 mètres, travaille avec une lumière laser d'un type très particulier: le laser à rayons X SwissFEL produit des flashs très courts et très intenses de rayons X de qualité laser. Ces impulsions permettent pour ainsi dire de filmer des molécules et des atomes en action. La Suisse est le premier petit pays à exploiter une installation de ce genre, souligne Gabriel Aeppli, chef de la division de recherche Sciences photoniques au PSI. De par le monde, il n'existe que cinq lasers à rayons X à électrons libres. Depuis fin 2017, le SwissFEL accueille ses premières expériences pilotes. La mise en service de l'installation se passe impeccablement, déclare Gabriel Aeppli lorsqu'on lui demande de tirer un premier bilan.

Lors de la construction du SwissFEL, le PSI s'est appuyé sur les expériences faites à l'une de ses installations plus anciennes: la Source de Lumière Suisse SLS, qui se trouve dans un bâtiment circulaire aux allures de grande soucoupe volante, produit elle aussi de la lumière intense de type rayons X. En comparaison internationale, la SLS est une installation de recherche de taille moyenne. Mais nos travaux scientifiques sont de niveau mondial, affirme Oliver Bunk, physicien et chef du laboratoire de Macromolécules et bio-imagerie au PSI. Le ribosome est l'une des plus grandes et des plus importantes biomolécules qui aient été étudiées à la SLS. Il assure une tâche décisive dans les cellules de tous les êtres vivants, car il traduit l'information génétique contenue dans l'ADN de manière que la cellule produise les protéines correspondantes. Le décryptage de la structure du ribosome a valu à Venkatraman Ramakrishnan et à deux autres chercheurs le prix Nobel de chimie en 2009. Or le scientifique avait mené une partie de l'une de ses expériences au synchrotron du PSI.

Développement ciblé de nouveaux médicaments

L'étude de protéines vitales est particulièrement importante. Les protéines sont de petites machines. Elles sont impliquées dans tous les processus qui se jouent à l'intérieur du corps humain, rappelle Oliver Bunk. Si l'on veut comprendre la fonction de cette machine, il faut connaître sa structure. Souvent, les maladies sont liées à des dysfonctionnements des protéines. L'industrie pharmaceutique tente alors de trouver une petite molécule médicamenteuse qui s'arrime à la protéine en question et bloque le dysfonctionnement de manière à guérir le malade, poursuit Oliver Bunk. C'est pourquoi l'industrie pharmaceutique suisse soutient une station expérimentale à la SLS.

A la SLS, nous faisons avant tout de la recherche fondamentale, relève Oliver Bunk. Mais les résultats apportent aussi une contribution à de précieuses applications qui peuvent s'avérer tout à fait surprenantes. Par exemple une nouvelle méthode de détection précoce du cancer du sein. A l'origine, le projet des chercheurs était de mieux caractériser la lumière de type rayons X de la SLS dans le domaine de l'imagerie. Pour ce faire, ils avaient développé un procédé qui mesurait l'intensité avec laquelle un matériau absorbait les rayons X, mais aussi la manière dont il les déviait et les diffractait. Or il s'est avéré que cette méthode permettait de beaucoup mieux visualiser les tissus mous que les procédés radiologiques conventionnels, qui mettent avant tout les os en évidence. C'est pourquoi elle rend possible une identification plus précoce et plus précise des altérations des tissus.

Dans un deuxième temps, la nouvelle méthode de mesure a été développée pour pouvoir fonctionner aussi avec le tube à rayons X conventionnel d'un hôpital, et plus seulement à un synchrotron. Entre-temps nous avons lancé un projet pilote de mammographie à l'Hôpital cantonal de Baden et à l'Hôpital universitaire de Zurich, détaille Oliver Bunk. Des chercheurs du PSI et de l'ETH Zurich ont par ailleurs fondé une spin-off dont l'objectif est de construire un appareil de mammographie en 3D d'un genre nouveau. Leur entreprise GratXRay a son siège dans le parc de l'innovation à proximité immédiate du PSI. L'année même de sa fondation, elle a déjà remporté le Swiss Technology Award.

Des investissements qui rapportent

GratXRay n'est pas la seule spin-off du PSI issue de la recherche avec la lumière. L'entreprise DECTRIS est un autre très beau succès, raconte Oliver Bunk. Cette start-up a été fondé en 2006 à Baden-Dättwill. Elle fabrique des détecteurs de rayons X et emploie plus de 100 collaborateurs. Au départ, le PSI avait construit un détecteur pour le CERN qui s'est retrouvé impliqué dans la mise en évidence du boson de Higgs. Sur cette base, le PSI a développé des détecteurs bien particuliers pour la SLS, que DECTRIS vend aujourd'hui à des instituts de recherche du monde entier. L'entreprise est leader sur le marché dans le domaine de la fabrication de ces appareils destinés aux installations synchrotron. Les investissements consentis dans la SLS ont porté leurs fruits, analyse Gabriel Aeppli. Nous attendons à présent sur quelque chose d'équivalent pour le laser à rayons X SwissFEL.

Dans le domaine de la recherche sur le cancer, on espère aussi de nouvelles perspectives. Nous sommes particulièrement curieux des résultats que donneront les expériences montrant l'effet d'une chimiothérapie en fonction du temps à l'échelle moléculaire, explique Gabriel Aeppli. De telles informations pourraient contribuer de manière essentielle au développement de traitements personnalisés du cancer.

Dans le domaine de la recherche sur le cancer, on espère aussi de nouvelles perspectives. Nous sommes particulièrement curieux des résultats que donneront les expériences montrant l'effet d'une chimiothérapie en fonction du temps à l'échelle moléculaire, explique Gabriel Aeppli. De telles informations pourraient contribuer de manière essentielle au développement de traitements personnalisés du cancer.

Texte: 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 380 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 2017)