Obtenir plus rapidement le portrait d’une protéine

Lorsqu’on photographie un objet, la longueur d’onde de la lumière joue un rôle décisif. En principe, on ne peut résoudre que les détails, dont les dimensions sont à peu près égales à la longueur d’onde de la lumière utilisée. Pour résoudre, à l’échelle atomique, la structure d’une molécule comme une protéine, il faut une lumière avec une longueur d’onde très courte : autrement dit, une lumière de type rayons X.

De la double-hélice de l’ADN jusqu’à aujourd’hui

Depuis que la lumière de type rayons X a permis de déchiffrer la célèbre structure en double-hélice d’une molécule d’ADN, au début des années 1950, les possibilités offertes par cet outil sont incontestées. L’écrasante majorité des structures de protéines aujourd’hui connues ont été déterminées grâce à la cristallographie aux rayons X. Lorsque la lumière de type rayons X rencontre les atomes de protéine dans un cristal, elle est diffractée de manière particulière – comme la lumière visible, lorsqu’elle arrive sur un écran en passant par un petit trou. Le diagramme de diffraction, capté par des détecteurs situés derrière l’échantillon, permet de calculer la structure cristalline de la protéine. La cristallographie des protéines est particulièrement performante grâce aux rayons X très intenses, produits par les sources de lumière synchrotron. La Source de Lumière Suisse (SLS) du PSI figure parmi les meilleures installations synchrotron au monde, et c’est là que la nouvelle technique a été mise au point et testée.

La technique fait ses preuves

Avec ce travail, les chercheurs du PSI améliorent une méthode connue sous le nom de « native SAD » (Single-wavelength Anomalous Diffraction), qui a été appliquée pour la première fois au début des années 1980. La détermination de la structure des protéines par des techniques plus conventionnelles nécessite des étapes supplémentaires en laboratoire, le plus souvent longues et laborieuses. Elles consistent à introduire dans la structure de la protéine des atomes lourds, qui modifient le signal de diffraction. Cette étape n’est pas nécessaire dans le cas de la méthode « native SAD » car elle exploite les atomes de soufre, ainsi que d’autres atomes plus légers qui sont naturellement présents dans les protéines. Toutefois, la méthode présentait jusqu’ici un inconvénient : elle ne permettait que de déterminer la structure de protéines très petites. Elle n’était donc applicable que dans des cas isolés. La nouvelle méthode mise au point permet à présent de s’attaquer à la grande majorité des structures de protéines.

La technique fait ses preuves

Ce succès est notamment dû à la haute sensibilité des détecteurs PILATUS de l’entreprise Dectris, une spin-off du PSI. « Ces détecteurs sont capables d’enregistrer des signaux très faibles et permettent ainsi de collecter de très bonnes données avec une dose de rayons X relativement faible, c’est à dire, avant que les dommages dus aux radiations n’altèrent l’échantillon » explique Vincent Olieric, scientifique au PSI. Avec les techniques conventionnelles, on utilise en effet souvent une dose de rayonnement trop forte pour obtenir une image de la protéine. Mais cette même dose élevée de rayonnement est susceptible d’endommager la protéine dans certains cas, au point de modifier sa structure.

Pour pouvoir recueillir suffisamment de données avec une dose de rayonnement très faible, et obtenir l’amélioration nécessaire en termes de précision des mesures, les chercheurs ont recouru à une autre astuce : en plus de mesurer l’échantillon dans une seule et unique orientation, comme cela se fait d’habitude, ils ont répété la mesure de nombreuses fois après l’avoir ré-orienté. Ceci a été possible grâce à un goniomètre multi-axes (nommé PRIGo) très précis, également développé au PSI. Une prouesse de cet outil est que sa forme, compacte, empêche les collisions avec les autres appareils nécessaires à la collecte des données.

De l’application de niche au nouveau standard

« Avec notre technique, nous avons pu déterminer en 30 mois les structures de plus de 20 protéines, souligne Tobias Weinert, premier auteur de l’étude. La technique native SAD n’avait, jusqu’ici, permis d’élucider qu’une centaine de structures. Cela montre à quel point notre méthode permet d’accélérer l’ensemble du processus. » Parmi les structures de protéines que les chercheurs du PSI ont réussi à déchiffrer figure celle d’une molécule appelée tubuline (fournie par le groupe de recherche de Michel Steinmetz au PSI), qui sert de charpente à de nombreuses cellules, et renforce les propriétés mécaniques du cytosquelette. « Il s’agit de la structure de protéine la plus grande et la plus complexe à avoir été résolue jusqu’ici avec la technique native SAD, précise encore Tobias Weinert. Avant nos travaux, presque tout le monde considérait qu’il était impossible de déterminer une telle structure par cette méthode. »

Comme la plupart des protéines sont plus petites et moins complexes que la tubuline, cela signifie qu’il est à présent possible de résoudre un plus grand nombre de structures, grâce à cette méthode améliorée. Et donc qu’à l’avenir, les déterminations de structures de protéines seront plus rapides, plus simples et plus économiques.

Texte: Institut Paul Scherrer/Leonid Leiva

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 1900 personnes, étant ainsi le plus grand institut de recherche de Suisse. Le budget annuel est d’environ CHF 350 millions.