Thomas Joseph Lane, chercheur associé du SLAC, à l'instrument d'imagerie à rayons X cohérente (CXI) de la source de lumière cohérente Linac (LCLS). Crédit :Miyuki Dougherty/SLAC National Accelerator Laboratory
Une équipe de recherche du SLAC National Accelerator Laboratory du ministère de l'Énergie utilise la source de lumière cohérente Linac (LCLS) pour étudier une enzyme présente dans les plantes, bactéries et certains animaux qui réparent les dommages à l'ADN causés par les rayons ultraviolets (UV) du soleil.
En étudiant cette enzyme, appelée ADN photolyase, avec les impulsions ultrabrillantes et ultrarapides du laser à rayons X LCLS, les chercheurs ont enfin la possibilité de regarder l'enzyme en action alors qu'elle catalyse une réaction chimique en temps réel et à l'échelle atomique pour résoudre les débats de longue date sur le fonctionnement de ces enzymes. Finalement, ces connaissances pourraient être utilisées pour concevoir des versions synthétiques améliorées d'enzymes qui entraînent des réactions cruciales dans les systèmes biologiques, ou pour produire de nouvelles enzymes qui n'existent pas dans la nature.
« Les réactions biochimiques réalisées par les enzymes sont au cœur de l'adaptabilité et de l'efficacité du vivant, " dit Thomas Joseph Lane, chercheur associé au LCLS. "Mais les détails du fonctionnement des enzymes sont cachés dans des processus chimiques qui se produisent sur des échelles de temps extrêmement courtes, jusqu'au millionième de milliardième de seconde, nous avions donc besoin de LCLS pour révéler leurs secrets."
Une puissante machine de réparation
En quelques secondes, la lumière ultraviolette du soleil peut endommager l'ADN en créant des centaines de liens indésirables dans la double hélice de l'ADN. Ces modifications rendent le matériel génétique volumineux et illisible par les outils de réplication de l'ADN, conduisant à des mutations permanentes qui peuvent causer le cancer et d'autres maladies si elles ne sont pas réparées.
Mais la même lumière du soleil qui transporte des rayons UV nocifs contient également de la lumière bleue qui peut induire une photolyase pour réparer rapidement tout dommage à l'ADN.
La lumière UV crée des liens dommageables entre les atomes de la thymine, un élément constitutif de l'ADN. Une enzyme appelée photolyase, qui est déclenché par une longueur d'onde différente de la lumière, les coupe et répare les dégâts. Crédit :Dave Goodsell/PDB-101
On pense que la photolyase est l'une des raisons pour lesquelles les plantes - qui sont exposées au soleil pendant des heures chaque jour - sont moins sensibles aux dommages causés par les UV que les humains, qui manquent de photolyase. Les humains et autres mammifères doivent recourir à des mécanismes alternatifs de réparation de l'ADN (ou éviter complètement de s'exposer au soleil).
Utilisation d'une caméra à rayons X ultrarapide
Avec LCLS, les chercheurs ont désormais accès à certaines des impulsions laser à rayons X les plus rapides et les plus brillantes au monde pour étudier comment les êtres vivants se défendent des dommages causés par les UV.
Plus tôt cette année, par exemple, une équipe de scientifiques dirigée par Thomas Wolf, un chercheur associé au SLAC, utilisé LCLS pour voir la première étape d'un processus de protection qui empêche les dommages UV dans le bloc de construction de l'ADN thymine.
"Avant LCLS, les autres « caméras » à rayons X étaient trop lentes, " Lane explique. " Essayer d'imager avec précision les enzymes et autres protéines avec ces sources de rayons X serait comme essayer de prendre une photo d'action de Michael Phelps nageant avec un vieil appareil photo. Vous n'obtiendrez que quelques images floues sur l'ensemble de son événement papillon de 100 mètres, ce qui ne ferait guère une photo excitante ou informative."
Mais avec LCLS, il dit, « Imaginez une série de prises de vue haute résolution en séquence – vous seriez capable de capturer chaque goutte d'eau et chaque torsion du poignet de Phelps alors qu'il papillonne. C'est ce que LCLS nous permet de faire lorsque nous visualisons l'activité enzymatique. »
En haut :Une image au microscope optique d'enzymes photolyases cristallisées avant qu'elles ne soient sondées par le laser à rayons X LCLS. En bas :un diagramme de diffraction des rayons X à partir des cristaux de photolyase. Ces modèles, formé par les rayons X interagissant avec les atomes du cristal, sont utilisés pour déterminer la structure de la molécule. Crédit :Thomas Joseph Lane/SLAC National Accelerator Laboratory
Construire de meilleures enzymes
Contrairement à l'expérience de Wolf sur la façon dont l'ADN se protège des dommages, L'équipe de Lane étudie comment la photolyase répare les dommages causés par les UV une fois que les mécanismes de protection ont échoué. La photolyase peut être contrôlée avec une grande précision en l'exposant à la lumière, ce qui en fait une enzyme idéale pour étudier à l'aide de la lumière générée par laser.
Pour voir la chimie de la photolyase en détail, les chercheurs ont activé l'enzyme avec une impulsion lumineuse soigneusement contrôlée provenant d'un laser. Ils ont ensuite exposé l'enzyme à l'impulsion de rayons X générée par LCLS, créer un diagramme de diffusion de rayons X caractéristique dans un détecteur spécialisé. L'analyse des données de rayons X diffusés a révélé des changements chimiques et structurels de l'enzyme au niveau atomique et se produisant à une échelle de temps d'un millionième de milliardième de seconde.
L'un des objectifs ultimes de l'étude du processus de réparation enzymatique de l'ADN est de concevoir des enzymes synthétiques qui imitent mais sont encore meilleures que celles trouvées dans la nature.
"Il existe encore des lacunes majeures dans notre compréhension du fonctionnement des enzymes, mis en évidence par le fait que les enzymes créées par l'homme n'ont pas encore atteint les performances de la nature, " dit Lane. "Nous espérons que nos expériences ici au LCLS nous aideront à combler ces lacunes, nous rapprocher de la compréhension et de l'exploitation de la chimie que les êtres vivants font tous les jours."
