Observer les protéines à l’atome près, c’est possible avec la cryo-microscopie électronique

BIOLOGIE MOLÉCULAIRE Découvrez, chaque jour, une analyse de notre partenaire The Conversation. Aujourd’hui, un universitaire nous explique pourquoi et comment les milliers d’atomes des protéines sont étudiés

20 Minutes avec The Conversation

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Structure cristallographique d'une protéine chaperonne (PDB 1AON10)
Structure cristallographique d'une protéine chaperonne (PDB 1AON10) — © Thomas Splettstoesser / Wikimedia CC by-sa 3.0
  • L’observation des protéines est essentielle car leur dysfonctionnement peut être la cause de nombreuses maladies comme la mucoviscidose ou Alzheimer, selon une étude publiée par notre partenaire The Conversation.
  • L’un des meilleurs outils pour y parvenir est le cryo-microscope électronique (ou cryo-électromicroscope), dont l’imagerie s’effectue à une température de -196 °C.
  • L'analyse de ce phénomène a été menée par Léni Jodaitis, doctorant et assistant en sciences chimiques (spécialisation biochimie) à l’Université Libre de Bruxelles.

Il est possible d’obtenir des structures très détaillées de protéines. Ces molécules sont formées de quelques dizaines à des centaines de milliers d’ atomes et possèdent des structures chimiques et 3D complexes. Ces macromolécules régissent tous les mécanismes de la vie au niveau cellulaire. Les protéines sont très importantes pour la biologie et la médecine.

Véritables ouvrières biologiques, les protéines peuvent remplir des fonctions très spécifiques. Par exemple, les anticorps sont capables de reconnaître les corps étrangers. L’insuline, qui intervient dans certains métabolismes, régule l’absorption du glucose. Ou encore, les « canaux ioniques » permettent aux molécules nécessaires à notre organisme comme le sel et l’eau d’entrer dans nos cellules. Le dysfonctionnement des protéines peut être la cause de nombreuses maladies comme la mucoviscidose ou Alzheimer.

Structure tridimensionnelle d’une spike du SARS-CoV-2 et ses sites de glycosylation. La résolution atomique est atteinte et de précieuses informations peuvent être extraites de cette structure.

Connaître leurs structures chimiques, à l’échelle atomique et en trois dimensions, nous permet de comprendre le fonctionnement des systèmes dans lesquels elles interviennent et de pouvoir peut-être corriger, aider ou arrêter certains processus biologiques.

Comment espérer regarder les atomes au microscope ?

Pour observer les éléments invisibles à l’œil nu, l’humain a toujours fait preuve de créativité. Une de ses inventions est le microscope optique. Grâce à un système de lentille, celui-ci permet de visualiser des objets de quelques micromètres, soit un millième de millimètre, mais ce n’est pas suffisant pour voir des atomes isolés ou constituants une protéine. Cette limitation est liée à la longueur d’onde de la lumière visible.

Pour observer les atomes, plusieurs techniques existent. La microscopie par force atomique et la microscopie par effet tunnel utilisent des pointes très fines terminées, in fine, par un seul atome. Ces pointes sondent les surfaces et détectent les atomes et/ou les molécules présentes. Cependant, la technique la plus populaire en biochimie a toujours été la cristallographie. Pour obtenir la structure à partir de cristaux de protéines, on utilise la diffraction des rayons X obtenus dans les synchrotrons.

Structure tridimensionnelle de la protéine en pointe du 2019-nCoV obtenue par cryo-microscopie électronique. © D. Wrapp, N.Wang, K. S. Corbett, J. A. Goldsmith, CL Hsieh, O. Abiona, B. S. Graham, J. S. McLellan - Science, 2020 - CC BY (via The Conversation)

Une autre solution est d’utiliser le même principe que le microscope optique, mais avec des électrons plutôt que des photons, car il est plus simple de manipuler leurs trajectoires vu que ce sont des particules chargées. On parle alors de microscope électronique à transmission.

Cette technique ne cesse de s’améliorer avec le temps et les scientifiques l’ayant mise au point en 1933 ont été récompensés du prix Nobel de physique en 1986, en même temps que les concepteurs du microscope à effet tunnel.

Le principe général reste le même : observer l’interaction des électrons avec l’échantillon et en déduire la surface ou la forme de l’objet. Les électrons sont émis via un filament de tungstène chauffé, puis concentrés grâce à des champs magnétiques plutôt que des lentilles. Les électrons sont chargés et leur trajectoire est défléchie vers l’échantillon par le champ appliqué. Après avoir interagi avec l’échantillon, les électrons rencontrent un détecteur, et le signal est traité pour générer des images d’un monde jusqu’alors invisible.

Cette technique a quelques défauts : elle est particulièrement demandeuse en énergie, nécessite de faire le vide complet (il n’y a plus du tout d’air dans le système) et la moindre variation de champ magnétique influe sur l’image. Ses plus grandes limitations sont l’agitation thermique et la destruction de l’échantillon. Lors de la prise d’image d’éléments aussi petits, le moindre mouvement diminue la résolution (le détail) pouvant être atteinte.

Passer à très basse température

C’est également sur ce principe que fonctionne le cryo-microscope électronique (ou cryo-électromicroscope) : « cryo » pour « cryogénique », car toute l’imagerie s’effectue à une température de -196 °C ; et « électronique » car la source d’énergie pour observer l’échantillon est fournie par un rayonnement d’électrons. Le fait de travailler à des températures aussi basses permet de réduire l’agitation thermique et protège les molécules de la destruction afin d’atteindre une meilleure résolution.

Video « Qu’est-ce que la cryo-microscopie électronique ? » (Source : CNRS)

Véritable révolution, en particulier pour les applications en biologie pour lesquelles les échantillons en matière organique sont souvent trop fragiles pour être imagés dans un microscope électronique à transmission classique, cet outil a valu à ses concepteurs le prix Nobel de chimie en 2017.

L’échantillon à observer est d’abord placé sur une petite grille de quelques millimètres de longueur, puis il est congelé très rapidement afin d’éviter la formation de cristaux d’eau grâce à de l’éthane liquide, qui congèle en quelques microsecondes l’échantillon sur la grille (« vitrification »). La grille est ensuite insérée dans le microscope.

À ce stade, les images montrent des taches noires sur un fond gris. L’exemple repris ici est celui d’un canal membranaire dont la taille réelle est de seulement une quinzaine de nanomètres, soit 15 millionièmes de millimètre.

Photomicrographie d’un échantillon contenant une protéine canal à ion potassium. Pour passer d’une collection d’images photomicrographiques (un exemple à gauche) vers une reconstruction et une classification à deux dimensions des objets (à droite), il faut des algorithmes de sélection et superposition, mais surtout quelques heures de calcul © D. Matthies, C. Bae, G. ES Toombes, T. Fox, A. Bartesaghi, S. Subramaniam, K. J. Swartz - eLife (via The Conversation)

Reconstruction informatique pour voir la structure 3D des molécules

La puissance de la technique de cryo-microscopie électronique est due à l’association de l’imagerie et du traitement informatique qui suit. À partir de centaines de milliers d’images, il est possible de reconstituer un modèle tridimensionnel de la structure de l’objet. Plus il y a d’images, meilleure est la résolution de la reconstruction. Vu que le nombre de données à traiter est important, avec des millions d’images 2D pour une seule structure 3D, les scientifiques ont recours à des programmes utilisant des processus automatisés et guidés.

La structure tridimensionnelle du canal ionique une fois la reconstruction achevée. L’échelle à droite représente la résolution : autour de deux angströms, la résolution atomique est atteinte. Plus la valeur de la résolution, donnée en angströms (Å) est haute, moins on a de détails © D. Matthies, C. Bae, G. ES Toombes, T. Fox, A. Bartesaghi, S. Subramaniam, K. J. Swartz - eLife (via The Conversation)

Les résultats sont époustouflants. Par exemple, en observant la protéine « spike » du SARS-CoV-2 avec une résolution atomique, on a pu rapidement comprendre le processus de glycosylation – la fixation des sucres sur la protéine spike du virus. Ce processus est important dans le cycle de vie du virus pour pouvoir échapper au système immunitaire humain.

Une longue histoire, des développements technologiques récents, un potentiel immense

La cryo-microscopie électronique existe depuis une cinquantaine d’années et était initialement appelée « blobologie » car le résultat des analyses ne menait, bien souvent, qu’à une masse informe que les scientifiques appellent un « blob ». Grâce aux avancées technologiques récentes, la cryo-microscopie électronique est très utilisée pour définir les structures des protéines les plus complexes. Les récentes améliorations des détecteurs, des sources d’électron, des méthodes de traitement d’images et des processeurs, laissent envisager des voies de perfectionnement de la technique.

Il est maintenant possible de découvrir des systèmes jusqu’alors inobservables au microscope. Les détails sont tels que la position de chaque atome qui compose l’échantillon observé est rendue visible ! Il y a seulement 50 ans, la résolution atomique en microscopie n’était qu’un rêve de physicien et voilà qu’aujourd’hui, elle est devenue une réalité. La cryo-microscopie électronique est certainement la technique ayant le plus de potentiel dans la réalisation des prochains défis de la biologie cellulaire (la résistance antibiotique, la découverte de nouveaux vaccins, le traitement des cancers…). Grâce à cette technique, nous pourrons mieux comprendre le fonctionnement de nos cellules, mais aussi des bactéries et des virus. Cela pourrait potentiellement ouvrir des opportunités pharmacologiques encore inexplorées et permettre de soigner des maladies qui touchent actuellement l’humanité.

Cette analyse a été rédigée par Léni Jodaitis, doctorant et assistant en sciences chimiques (spécialisation biochimie) à l'Université Libre de Bruxelles.
L’article original a été publié sur le site de 
The Conversation.