Les membres du laboratoire Schmit qui ont travaillé sur l'article incluent (de gauche à droite) le doctorant Ishwor Poudyal, Professeur Marius Schmidt et doctorant et premier auteur Suraj Pandey. Leurs découvertes marquent une nouvelle ère de la recherche sur les protéines qui permet aux enzymes impliquées dans la maladie d'être observées en temps réel pendant des durées significatives avec une clarté sans précédent. (Photo de Troye Fox) Crédit :UWM /Troye Fox
Pour étudier la rapidité de la biologie – la chimie des protéines derrière chaque fonction vitale – les scientifiques doivent voir les molécules changer et interagir dans des incréments de temps incroyablement rapides – des billions de seconde ou moins.
Un équipement d'imagerie avec ce type de vitesse a finalement été testé l'année dernière au laser européen à électrons libres à rayons X, ou EuXFEL. Maintenant, une équipe de physiciens de l'Université du Wisconsin-Milwaukee a terminé le premier film moléculaire de l'installation, ou "cartographie, " du mouvement ultrarapide des protéines.
Avec cette capacité, les scientifiques peuvent observer comment les protéines font correctement leur travail ou comment leur changement de forme se dérègle, provoquant la maladie.
"Créer des cartes du fonctionnement physique d'une protéine ouvre la porte à des réponses à des questions biologiques beaucoup plus vastes, " dit Marius Schmidt, un professeur de physique de l'UWM qui a conçu l'expérience. "On pourrait dire que l'EuXFEL peut maintenant être considéré comme un outil qui aide à sauver des vies."
Leurs découvertes marquent une nouvelle ère de la recherche sur les protéines qui permet aux enzymes impliquées dans la maladie d'être observées en temps réel pendant des durées significatives avec une clarté sans précédent. L'article est publié en ligne aujourd'hui dans la revue Méthodes naturelles .
L'EuXFEL produit des rayons X intenses en impulsions extrêmement courtes à un taux de mégahertz, un million d'impulsions par seconde. Les rayons visent des cristaux contenant des protéines, dans une méthode appelée cristallographie aux rayons X. Lorsqu'un cristal est frappé par l'impulsion de rayons X, il diffracte le faisceau, diffusion selon un certain motif qui révèle où se trouvent les atomes et produit un « instantané ».
Les impulsions de rayons X à tir rapide produisent des instantanés 2D de chaque motif à partir de centaines de milliers d'angles où le faisceau atterrit sur le cristal. Celles-ci sont reconstruites mathématiquement en images 3D en mouvement qui montrent les changements dans la disposition des atomes au fil du temps.
Le XFEL européen, qui a ouvert l'année dernière, a porté cette cartographie atomique à un nouveau niveau. Des salves extrêmement puissantes contiennent des impulsions de rayons X à un quadrillionième de seconde, en "rafales" qui se produisent à des intervalles de 100 millisecondes.
L'expérience de Schmidt a commencé avec un éclair bleu, la lumière visible qui a induit une réaction chimique à l'intérieur du cristal de protéine, suivi immédiatement d'une rafale de rayons X intenses en impulsions mégahertz qui produisent les « instantanés ».
Il s'agit d'une expérience qu'il a réalisée pour la première fois en 2014 au SLAC National Accelerator Laboratory du département américain de l'Énergie en Californie. Là, lui et ses étudiants ont pu documenter les changements atomiques dans leurs échantillons de protéines pour la première fois dans un XFEL.
Ensuite, en 2016, ils ont pu cartographier le réarrangement des atomes dans la plage de temps nécessaire aux protéines pour changer de forme - des quadrillions de seconde (femtosecondes) jusqu'à 3 billions de seconde (picosecondes). En une picoseconde, qui est un trillionième de seconde, la lumière parcourt la longueur du point à la fin de cette phrase.
Dans cette illustration, des microcristaux sont injectés (en haut, à gauche) et une réaction est initiée par des impulsions laser bleues frappant les protéines dans les cristaux (au milieu, la gauche). La structure atomique de la protéine (à droite) est sondée pendant la réaction par les impulsions de rayons X (en bas, la gauche). Au XFEL européen, les impulsions laser optiques femtosecondes correspondent aux impulsions de rayons X qui se déclenchent à un taux de mégahertz. Les impulsions de rayons X sont six ordres de grandeur plus grandes que celles d'autres sources de rayons X. Cela permet de produire des schémas de diffraction pour presque toutes les protéines, produisant des images fixes enregistrées sur des incréments de temps incroyablement rapides qui forment des films moléculaires. Crédit :Européen XFEL / Blue Clay Studios
Une précédente cristallographie résolue en temps sur leur protéine photoréactive avait déjà été réalisée à l'aide d'autres sources de rayons X capables d'imager des échelles de temps supérieures à 100 picosecondes, laissant un intervalle de temps inexploré entre 3 et 100 picosecondes que les scientifiques ont pu combler à l'aide de l'EuXFEL.
La luminosité exceptionnelle du laser et la fréquence d'impulsion des rayons X en mégahertz leur ont permis de collecter des données beaucoup plus rapidement et avec une plus grande résolution et sur des périodes plus longues.
Schmidt décrit EuXFEL comme "une machine de superlatifs". Le plus grand XFEL au monde, il fait 3 kilomètres de long, couvrant la distance entre les États fédéraux allemands de Hambourg et du Schleswig-Holstein. La technologie supraconductrice est utilisée pour accélérer les électrons de haute énergie, qui génère les rayons X.
Schmidt, un biophysicien ayant participé à plus de 30 projets d'imagerie XFEL à ce jour, a offert un avant-goût du potentiel médical de la cristallographie améliorée avec le XFEL :En utilisant cette méthode, il a vu comment plusieurs protéines fonctionnent ensemble, comment les enzymes responsables de la résistance aux antibiotiques désactivent un médicament et comment les protéines changent de forme afin d'absorber la lumière et de permettre la vue.
Doctorant Suraj Pandey, qui est venu à UWM de son Népal natal, est le premier auteur sur le papier. Il a maintenant une expérience de la technologie que peu de gens dans le monde peuvent revendiquer, au moins pour l'instant. Il a dit qu'il ne savait pas trop à quoi s'attendre avant de participer à l'expérience.
Le rôle de Pandey était d'analyser les données et de calculer les cartes du changement structurel. Parmi les millions d'impulsions de rayons X délivrées par les XFEL, la majorité n'atteint pas du tout une cible. En réalité, seulement 1% à 2% diffractent un cristal de protéine, tandis que les impulsions restantes produisent du "bruit" qui doit être supprimé des données.
L'équipe avait aussi d'autres soucis, il a dit. Il a fallu des mois à Pandey pour développer la protéine nécessaire à la production des cristaux de l'expérience, mais pendant leur transport en Allemagne, les 5 grammes de protéines congelées ont été retenus en douane pendant plusieurs jours, au cours de laquelle une partie a fondu.
Après le premier jour d'imagerie, il a traité les données et a pu identifier pour la première fois un signal fort dans la carte résultante. "C'était une percée, " at-il dit. "Mais le signal ne correspondait pas au changement prédit à partir des expériences précédentes. Je pensais que l'expérience avait échoué."
Au lieu, lui et les opérateurs EuXFEL ont appris leur première leçon :les impulsions optiques qui initient la réaction doivent être exactement synchronisées avec les impulsions de rayons X mégahertz. Autrement, la réaction protéique se déroule dans des attributions de temps inconnues. Et ils devaient être sûrs que l'échantillon n'était excité qu'une seule fois, ce qui s'est avéré assez délicat avec des fréquences de pouls en mégahertz.
Le succès final de l'expérience a donné à Pandey une immense satisfaction.
"C'est une technologie unique en son genre, " a-t-il déclaré à propos de l'EuXFEL. " Nous avons été les premiers à utiliser le XFEL européen en visionnant des films sur le fonctionnement des protéines. Je vole juste."
