La méduse cristalline nage au large des côtes du nord-ouest du Pacifique et peut illuminer les eaux lorsqu'elle est dérangée. Cette lueur provient de protéines qui absorbent l'énergie puis la libèrent sous forme d'éclairs lumineux.

Pour suivre de nombreuses activités de la vie, les biologistes se sont inspirés de cette même méduse.

Les scientifiques ont collecté l'une des protéines trouvées dans les créatures marines, protéine fluorescente verte (GFP), et conçu un interrupteur de lumière moléculaire qui brillerait ou resterait sombre en fonction des conditions expérimentales spécifiques. Les étiquettes lumineuses sont attachées aux molécules dans les cellules vivantes afin que les chercheurs puissent les mettre en évidence lors d'expériences d'imagerie. Ils utilisent ces marqueurs fluorescents pour comprendre comment une cellule réagit aux changements de son environnement, identifier les molécules qui interagissent au sein d'une cellule et suivre les effets des mutations génétiques.

Les chercheurs étudient la GFP et d'autres protéines fluorescentes depuis des décennies pour mieux comprendre leur action lumineuse et améliorer leur fonction dans des études scientifiques, mais ils n'ont jamais été en mesure d'observer les changements ultrarapides qui se produisent entre les états "off" et "on" jusqu'à présent.

Dans une expérience récente menée au laboratoire national des accélérateurs SLAC du ministère de l'Énergie, une équipe de recherche a utilisé brillant, des impulsions de rayons X ultrarapides du laser à rayons X à électrons libres du SLAC pour créer un film à grande vitesse d'une protéine fluorescente en action. Avec ces informations, les scientifiques ont commencé à concevoir un marqueur qui bascule plus facilement, une qualité qui peut améliorer la résolution lors de l'imagerie biologique.

"Nous pensons que cette approche ouvrira un monde de possibilités pour adapter les protéines fluorescentes, " dit Martin Weik, chercheur à l'Institut de biologie structurale de Grenoble, France et l'un des auteurs de la publication. "Nous avons non seulement la structure de la protéine fluorescente, mais maintenant nous pouvons voir ce qui se passe entre un état statique et l'autre."

Chimie de la nature a publié l'étude le 11 septembre.

Filmer un interrupteur de lumière moléculaire

Pour observer ces états intermédiaires, les scientifiques ont initié une réaction photochimique dans la protéine fluorescente avec un laser optique à l'instrument d'imagerie à rayons X cohérent à la source de lumière cohérente Linac, suivis d'instantanés radiographiques à des délais distincts. Le laser optique fournit de l'énergie sous forme de photons, imiter ce qui se passe dans la nature.

"Les atomes se déplacent dans le site photoactif de la molécule à la suite de l'absorption d'un photon, " dit Sébastien Boutet, scientifique du SLAC et co-auteur de l'article. "Ce changement structurel fait passer la protéine d'un état sombre à un état électroluminescent (fluorescent)."

Il y a un vaste corpus de littérature calculant ce qui pourrait arriver entre les deux états, mais personne n'ayant étudié la protéine n'a pu voir les changements structurels du commutateur lorsque le photon est absorbé. Le changement moléculaire était tout simplement trop rapide pour les techniques d'imagerie aux rayons X traditionnelles.

Dans cette étude, les impulsions de rayons X femtosecondes générées par LCLS - arrivant en quelques millionièmes de milliardième de seconde - ont permis à l'équipe de créer des images d'arrêt du processus à un intervalle extrêmement proche après l'activation des protéines par le laser optique.

Une porte entrouverte

Les instantanés à grande vitesse ont été utilisés pour générer un film à partir de l'état sombre, et a donné aux chercheurs des informations qu'ils ont utilisées pour concevoir des protéines électroluminescentes commutables plus efficaces. Ils ont trouvé un indice sur le temps que les molécules ont passé entre les états fluorescents et non fluorescents.

"Après une picoseconde, et pendant très peu de temps, cet interrupteur moléculaire est bloqué entre marche et arrêt, " dit Ilme Schlichting, scientifique à l'Institut Max-Planck de Heidelberg, Allemagne et l'un des auteurs de la publication. "Les gens l'ont prédit, mais visualiser réellement sa structure est extrêmement excitant."

"C'est comme s'il y avait une porte et qu'elle n'était ni fermée ni complètement ouverte; elle est entrouverte, " dit-elle. " Et maintenant, nous apprenons ce qui peut passer par la porte, ce qui pourrait le bloquer et comment cela fonctionne en temps réel."

Dans cette étude, les scientifiques ont découvert qu'un acide aminé bloquait la porte et empêchait l'interrupteur de basculer aussi facilement que possible.

Les chercheurs ont raccourci l'acide aminé dans une version mutée de la protéine fluorescente. Cette version technique changeait plus facilement et donnait un meilleur contraste. Ces traits permettront aux scientifiques d'observer l'activité cellulaire avec une plus grande précision.

"Le contraste est essentiel en image. C'est comme sur un écran de télévision, où voir la meilleure image, vous voulez que l'obscurité soit extrêmement sombre et que la couleur soit super brillante et colorée, " dit Jacques-Philippe Colletier, un scientifique de l'Institut de biologie structurale qui a contribué à la recherche.

Ce nouveau film moléculaire mettant en vedette les protéines inspirées des méduses éclaire la voie pour capturer davantage de détails microscopiques de la vie. L'équipe continuera à affiner la protéine pour d'autres caractéristiques souhaitées qui la rendent idéale pour "la microscopie à super-résolution, " un type de microscopie optique où les scientifiques sont capables de voir les détails illuminés des cellules non distinguables par les méthodes conventionnelles de microscopie optique.