Télécharger la vidéo (254.6 Mo - mp4) (254.6 Mo)PROXIMA-1 est une ligne de lumière de SOLEIL, qui utilise le rayonnement synchrotron dans le domaine des rayons X. Les rayons X sont à la base de plusieurs techniques d'analyse comme la radiographie, la spectroscopie, ou la cristallographie. La ligne est dédiée à la cristallographie ou plus précisément à la bio-cristallographie. PROXIMA-1 utilise la diffraction des rayons X, une méthode qui permet de connaitre l'arrangement des atomes composant les molécules dans un cristal. C'est la méthode la plus utilisée pour étudier la structure 3D des grandes molécules biologiques et notamment des protéines.
PROXIMA-1 : Etude des protéines par cristallographie
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Nous sommes au bout de la ligne de lumière PROXIMA-1.
PROXIMA-1 est une ligne de lumière de SOLEIL, qui utilise le rayonnement synchrotron dans le domaine des rayons X.
Les rayons X sont à la base de plusieurs techniques d'analyse comme la radiographie, la spectroscopie, ou la cristallographie.
La ligne est dédiée à la cristallographie ou plus précisément à la bio-cristallographie. PROXIMA-1 utilise la diffraction des rayons X, une méthode qui permet de connaitre l'arrangement des atomes composant les molécules dans un cristal. C'est la méthode la plus utilisée pour étudier la structure 3D des grandes molécules biologiques et notamment des protéines.
Décrivons les principaux acteurs de l'expérimentation :
- le faisceau X incident sort de la ligne,
- il frappe l'échantillon placé dans une boucle à l'extrémité d'une fine aiguille. Les tailles de la boucle et de l'échantillon sont très exagérées ici, dans la réalité on les voit à peine à l'œil nu.
L'aiguille est fixée à la tête d'un goniomètre qui ressemble au mandrin d'une perceuse. Ajoutons la canne de réfrigération, à droite, qui protège l'échantillon en le refroidissant.
A ce dispositif, il manque encore un élément essentiel, le détecteur, qui collecte les rayons X diffractés. Il est protégé par un capot qui s'ouvre au moment de l'expérimentation. La surface active du détecteur n'est pas visible ici, elle est derrière une feuille de protection.
Revenons au goniomètre. Il sert à déterminer des angles d'incidence très précis entre le faisceau X et l'échantillon. Il possède trois axes motorisés, qui font pivoter l'échantillon autour d'un point fixe central, en l'orientant correctement dans le faisceau de rayons X.
Un arrangement régulier des protéines permet de former les figures de diffraction. La conduite de l'expérimentation implique donc une condition indispensable : que l'échantillon se présente sous forme de cristaux. Il existe plusieurs méthodes de cristallisation ; par exemple, on place les protéines dans un solvant et on laisse le solvant s'évaporer. Pendant le processus de cristallisation, les molécules de protéine passent d'un état désordonné en solution à un état bien ordonné dans le cristal, avec un motif qui se répète périodiquement dans les trois dimensions.
Les cristaux obtenus peuvent prendre des formes très différentes, comme on le voit sur ces photos.
La distance entre atomes est du même ordre de grandeur que la longueur d'onde des rayons X, à l'échelle de l'Angström soit 1 dixième de nanomètre ou 1 dix milliardième de mètre. Les molécules peuvent alors mesurer entre 50 et 100 Angströms en diamètre. Des millions de répétitions sont nécessaires pour former un cristal de 50 micromètres.
Dans certaines conditions angulaires, qu'on appelle conditions de Bragg, les rayons X sont diffractés par le cristal suivant un angle égal à l’angle d’incidence q. En faisant varier l'angle q et en détectant les rayons diffractés, on peut remonter à la structure atomique de l'échantillon.
Pour faire varier cet angle q, on fait tourner l'échantillon sur lui-même pendant l'expérimentation. L'échantillon cristallisé fait diffracter le faisceau X incident et l’on enregistre des milliers de pics Bragg.
L'échantillon est conservé sous un jet d'azote gazeux à -170 degrés Celsius, afin de ralentir les dommages dus à l’irradiation par les rayons X.
Pendant que l'échantillon tourne sur lui-même, le détecteur enregistre l'impact des rayons diffractés, à raison d'une image tous les dixièmes de degré par exemple. La gamme angulaire dépend de la symétrie du cristal, ce qui correspond à des centaines d’images de diffraction.
Chaque image de diffraction montre des taches et un nuage de gris concentrique. Les taches constituent "l'empreinte digitale" de l’échantillon cristallisé ; elles sont caractéristiques de la structure atomique des protéines. Le nuage de gris concentrique est un bruit de fond qu'il faut soustraire. Il correspond au phénomène de diffusion, en grande partie dû à l'interaction des rayons X avec la solution qui entoure les protéines et qui est un matériau non ordonné.
Etude Rubéole
Prenons le cas de la protéine E1, qui est une protéine de surface du virus de la rubéole. Sa structure en trois dimensions a été déterminée en 2012 par une équipe de chercheurs de l'Institut Pasteur. Nous allons voir comment.
Dans un premier temps, on relève la distribution et l'intensité des taches, sur les images de diffraction, par l’utilisation de méthodes spécifiques. On en déduit la distribution des électrons et donc la position des atomes de la protéine. De la carte de densité électronique, on construit la séquence de la protéine, c'est-à-dire l'enchainement des acides aminés qui la constituent. Finalement, on modélise la structure 3D complète de la protéine.
Notons que ces étapes n'ont rien d'automatique. Elles nécessitent des outils de calculs spécifiques, certes, mais le savoir faire des chercheurs est également indispensable.
Comme toutes les protéines, la protéine E1 du virus de la rubéole montre un agencement complexe de brins qui se replient pour adopter une structure en trois dimensions très précise. Des milliers de repliements sont possibles, mais en fait, un seul donne à la protéine sa fonction biologique. La forme de la protéine détermine son rôle, et une très légère altération d'un repliement, par exemple, peut l'empêcher d'agir. D’où l’importance de cette méthode d’imagerie pour comprendre certaines maladies et concevoir des médicaments appropriés.