Prix Nobel de chimie, 2017 : Molécules de vie, capturées en 3D
L'utilisation de la cryomicroscopie électronique, développée séparément par les lauréats, permet de congeler des biomolécules à mi-mouvement et de les représenter à une résolution atomique. Cette technologie, a déclaré le comité Nobel, 'a fait entrer la biochimie dans une nouvelle ère'.
Richard Henderson (L), Joachim Frank (C), Jacques Dubochet (R). Le prix Nobel de chimie 2017 a été décerné mercredi à Jacques Dubochet, Joachim Frank et Richard Henderson pour le développement de la cryomicroscopie électronique pour la détermination de la structure à haute résolution de biomolécules en solution.
Le microscope électronique a été conçu au début des années 1930 par le physicien allemand Ernst Ruska, pour lequel il a reçu le prix Nobel de physique 1986 (avec Gerd Binnig et Heinrich Rohrer qui se sont partagé l'autre moitié du prix). Quatre ans plus tôt, le prix Nobel de chimie de 1982 était allé à Aaron Klug pour son développement de la microscopie électronique cristallographique et son élucidation structurelle des complexes acide nucléique-protéine biologiquement importants.
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Pendant une grande partie de la première moitié du 20e siècle, la détermination de la structure des biomolécules — protéines, ADN et ARN — était apparue comme un défi important dans le domaine de la biochimie. Les connaissances des scientifiques ont évolué régulièrement au cours des six dernières décennies, en commençant par les études cristallographiques pionnières des structures des protéines globulaires qui ont valu à Max F Perutz et John C Kendrew le prix Nobel de chimie en 1962, à la maîtrise de la cryomicroscopie électronique (cryo-EM) pour laquelle le Prix 2017 a été décerné.
Dans les années 50, la cristallographie aux rayons X (exposition des cristaux de protéines aux rayons X) a été utilisée pour développer des modèles de biomolécules pour la recherche et le développement ; dans les années 80, la spectroscopie par résonance magnétique nucléaire (RMN) a également été utilisée à cette fin. L'utilisation des deux techniques était cependant soumise à des limitations imposées par la nature des biomolécules. La cristallographie aux rayons X nécessitait des cristaux bien organisés — les biomolécules ne sont généralement jamais organisées en cristaux. Et la RMN n'a fonctionné que pour un ensemble relativement petit de protéines.
Les lauréats du prix 2017 ont utilisé trois approches différentes qui, ensemble, ont surmonté ces défis, faisant entrer, comme l'a dit le comité Nobel, la biochimie dans une nouvelle ère, facilitant plus que jamais la capture d'images de biomolécules.
Cristallographie aux rayons X au microscope électronique
Richard Henderson a abandonné la cristallographie aux rayons X et a eu recours à l'imagerie des protéines en utilisant la microscopie électronique à transmission - dans laquelle, au lieu de la lumière, un mince faisceau d'électrons est envoyé à travers l'échantillon. Cependant, alors que le microscope électronique permet d'obtenir la structure atomique, par exemple, d'une protéine membranaire, le faisceau d'électrons intense nécessaire aux images à haute résolution incinère le matériel biologique. Et une diminution de l'intensité du faisceau signifie une perte substantielle de contraste, et l'image devient floue.
De plus, l'exigence de vide pour la microscopie électronique signifiait la détérioration des biomolécules avec l'évaporation de l'eau environnante.
Henderson a travaillé avec la bactériorhodopsine, une protéine de couleur pourpre intégrée dans la membrane d'un organisme photosynthétique. Pour l'empêcher d'être incinéré, il a laissé la protéine sensible dans la membrane et a envoyé un faisceau d'électrons plus faible à travers l'échantillon. Des photos ont été prises sous de nombreux angles différents de la même membrane au microscope électronique pour produire un modèle 3D approximatif de la structure de la bactériorhodopsine.
C'était en 1975. Au fur et à mesure que la microscopie électronique évoluait avec de meilleures lentilles et le développement de la cryotechnologie (dans laquelle les échantillons étaient refroidis avec de l'azote liquide à environ - 190 degrés Celsius afin de les protéger du faisceau d'électrons), sa technique réussit à produire, en 1990 , une structure bactériorhodopsine à résolution atomique.
Traitement mathématique d'images d'images en microscopie électronique 2D
Toujours en 1975, Joachim Frank a préparé une stratégie théorique pour fusionner toutes les informations contenues dans les images bidimensionnelles d'un microscope électronique, afin de générer un tout tridimensionnel à haute résolution. Sa méthode mathématique a passé au crible des images 2D pour identifier des motifs récurrents et les trier en groupes pour fusionner leurs informations, produisant des images plus nettes. Ce modèle a permis de contourner les images moins nettes produites en raison des faisceaux d'électrons plus faibles utilisés pour les biomolécules. Les outils mathématiques pour l'analyse d'images ont été compilés sous la forme d'un programme informatique.
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Préparation de l'échantillon
Le défi principal consistant à s'assurer que les échantillons de biomolécules ne sont pas déshydratés et ne s'effondrent pas dans le vide de l'imagerie cryo-EM sous le faisceau d'électrons, a été résolu par Jacques Dubochet.
La solution naturelle au problème consistait à congeler les échantillons. Comme la glace s'évapore plus lentement que l'eau, cela aurait dû fonctionner. Cependant, l'eau cristalline a brouillé les images lorsque les faisceaux d'électrons ont été diffractés à travers les cristaux d'eau.
Dubochet a résolu le problème par un refroidissement rapide qui ne permettait pas aux molécules d'eau de s'arranger sous forme cristalline ; ils se sont plutôt transformés en eau vitrifiée qui agirait comme du verre pour le faisceau d'électrons. Ses recherches ont développé une technique de préparation d'échantillons où les biomolécules sont protégées sous de l'eau vitrifiée. La technique est utilisée en cryo-EM.
La dernière utilisation
Les derniers développements techniques tels que l'introduction de nouveaux détecteurs d'électrons - les détecteurs d'électrons directs - dans les microscopes électroniques ont contribué à améliorer encore la résolution des images capturées sous cryo-EM à faisceau bas pour les biomolécules. L'introduction des détecteurs d'électrons directs dans les microscopes électroniques en 2012-2013 s'est avérée être un outil puissant pour les scientifiques qui ont relevé le défi de la Zika virus qui s'est propagé rapidement dans divers pays en 2015-16.
JACQUES DUBOCHET
Est né en 1942 à Aigle, en Suisse. Il a obtenu son doctorat en 1973 à l'Université de Genève et à l'Université de Bâle, en Suisse. Il est professeur honoraire de biophysique, Université de Lausanne, Suisse.
JOACHIM FRANK
Est né en 1940 à Siegen, en Allemagne. Il a obtenu son doctorat en 1970 à l'Université technique de Munich, en Allemagne. Il est professeur de biochimie et de biophysique moléculaire et de sciences biologiques à l'Université de Columbia, aux États-Unis.
RICHARD HENDERSON
Est né en 1945 à Édimbourg, en Écosse. Il a obtenu son doctorat en 1969 à l'Université de Cambridge, au Royaume-Uni. Il est chef de programme, MRC Laboratory of Molecular Biology, Cambridge University.
GAGNANTS 2016 : JEAN-PIERRE SAUVAGE, SIR J FRASER STODDART et BERNARD L FERINGA pour leur développement de nano-machines, constituées de molécules en mouvement, qui pourront à terme être utilisées pour créer de nouveaux matériaux, capteurs et systèmes de stockage d'énergie.
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