Une équipe de chercheurs dirigée par le Dr Mike Sleutel du VIB-VUB Center for Structural Biology en collaboration avec des scientifiques de l'Institute for Complex Molecular Systems de l'Université de technologie d'Eindhoven, et le CNRS à Grenoble, ont pour la première fois découvert les détails moléculaires de la nucléation des cristaux de protéines, un processus d'une grande pertinence médicale et scientifique. L'équipe a également développé une nouvelle méthodologie pour étudier une large classe de systèmes qui sont restés insaisissables à ce jour. Leurs résultats sont publiés dans La nature .
Dr. Mike Sleutel (VIB-VUB) :« Ce sera passionnant de voir cette nouvelle technique appliquée à l'avenir pour suivre les processus d'auto-assemblage de protéines qui sont impliqués dans une gamme de troubles pathologiques, telles que la séparation de phase liquide-liquide dans la formation de cataracte oculaire ou la formation de fibres amyloïdes associées à une gamme de troubles neurologiques."
Les cristaux de protéines ont une grande pertinence médicale et scientifique. Depuis des décennies, ils ont été essentiels pour les biologistes structurels pour résoudre les structures tridimensionnelles des protéines, mais les cristaux de protéines sont également utilisés comme agents d'administration biopharmaceutiques. Les suspensions cristallines sont des formulations attrayantes pour stocker et administrer des composés pharmaceutiques actifs en raison de leur durée de conservation à long terme, faible viscosité du solvant, et une vitesse de dissolution lente. L'exemple le plus connu est peut-être l'insuline :les injections d'insuline comprennent l'injection sous-cutanée d'une suspension de microcristaux d'insuline qui se dissolvent lentement pour produire une administration régulière et soutenue dans le temps. Malgré leur énorme potentiel, il existe deux facteurs qui limitent l'utilisation de cristaux de protéines dans une large gamme d'applications.
Défis dans le développement de cristaux de protéines
D'abord, croissance des cristaux de protéines, comme le diront de nombreux biologistes moléculaires, est plus un art qu'une science. En réalité, pour de nombreuses protéines, la cristallisation peut être extrêmement difficile. Cela découle en partie du fait que les scientifiques ne comprennent pas les premières étapes de la formation de cristaux de protéines. Tout cristal provient d'un noyau, une petite graine cristalline, qui se forme par le groupement spontané de quelques molécules en solution qui doivent adopter une organisation régulière en trois dimensions. La façon dont les molécules réalisent cet exploit improbable est restée un mystère jusqu'à présent.
Deuxièmement, une seule protéine peut cristalliser sous plusieurs formes cristallines différentes, c'est ce qu'on appelle le polymorphisme. Différents polymorphes cristallins ont des caractéristiques différentes, avec les plus notables le pouvoir de diffracter les rayons X (essentiel pour la détermination de la structure 3D), et la vitesse à laquelle il se dissout (essentiel pour l'administration du médicament). Pour l'instant, il est très difficile de guider le processus de cristallisation vers le polymorphe de son goût. Les scientifiques pensent que la sélection polymorphe a lieu au stade de la nucléation, mais personne ne sait exactement comment fonctionne le mécanisme.
Une nouvelle façon d'appréhender l'auto-assemblage des macromolécules
Le groupe de scientifiques dirigé par le Dr Mike Sleutel a utilisé la microscopie électronique à cryotransmission (Cryo-TEM) de pointe pour capturer la naissance d'un cristal de protéine en visualisant le processus de nucléation à une résolution moléculaire.
Le Dr Heiner Friedrich explique :« Parce que le processus se déroule si rapidement, et à une si petite échelle de longueur, nous devions arrêter cryogéniquement l'échantillon à différentes étapes du processus. Une fois figé dans le temps, nous utilisons un microscope électronique très sensible pour visualiser les protéines et comment elles se regroupent pour former un noyau et enfin le cristal de protéine."
En analysant les images Cryo-TEM prises à partir d'une série d'échantillons à intervalles de temps constants, ils pourraient commencer à comprendre la série de collisions moléculaires qui doivent avoir lieu pour former un noyau cristallin. Le Dr Mike Sleutel poursuit :« Nous avons été frappés par la complexité inattendue du processus, qui s'est avéré beaucoup plus complexe que les modèles de travail que nous et d'autres sur le terrain avions avant ces observations. Pour la protéine que nous avons utilisée dans notre étude, nous avons découvert un processus d'auto-assemblage hiérarchique qui implique trois étapes ultérieures d'auto-assemblage à des échelles de longueur toujours croissantes. processus d'auto-assemblage de macromolécules dans des structures plus grandes.
Mais l'équipe est allée encore plus loin, et comparé les voies de nucléation de plusieurs polymorphes. Ils ont montré que la sélection polymorphe est dictée par l'architecture des fragments les plus petits possibles formés à des moments précoces. Une fois ces structures formées, la foi du système est établie. Le Dr Alexander Van Driessche explique :« En analysant et en comprenant les différences de structure des divers noyaux, nous avons développé des stratégies pour guider le processus de sélection polymorphe. Nous y sommes parvenus en ajustant doucement les différents modes d'interaction qui existent entre les molécules, diriger le processus de nucléation dans la direction de notre choix. » L'équipe pense que les nouvelles connaissances et méthodologies feront considérablement progresser le développement de cristaux de protéines pour la détermination de la structure 3D et les applications médicales.
