Pour la première fois, des scientifiques de l'École des sciences moléculaires de l'ASU en collaboration avec des collègues de l'Albert Einstein College of Medicine à New York ont ​​capturé des instantanés des structures cristallines des intermédiaires dans la voie biochimique qui nous permet de respirer.

Publié aujourd'hui dans le Actes de l'Académie nationale des sciences - Instantané d'un intermédiaire d'oxygène dans la réaction catalytique de la cytochrome c oxydase - leurs résultats fournissent des informations clés sur la dernière étape de la respiration aérobie.

"Il faut une équipe pour mener une expérience aussi sophistiquée, " explique Alexandra Ros, professeure agrégée de SMS qui, avec son étudiant diplômé Austin Echelmeier et l'ancien stagiaire Gerrit Brehm, développé le mélangeur de focalisation hydrodynamique rendant ces expériences possibles.

Le mélangeur est un dispositif microfluidique, qui est à haute résolution, Imprimé en 3D et permet à deux flux de tampon saturé en oxygène de se mélanger parfaitement avec un flux central contenant des microcristaux de cytochrome c oxydase bovine (bCcO). Cela initie une réaction catalytique entre l'oxygène et les microcristaux.

Au début

Cette recherche a été initiée par une conversation entre le professeur de SMS Petra Fromme, directeur du Biodesign Institute's Center for Applied Structural Discovery (CASD), Raimund Fromme, Professeur associé de recherche SMS, et le professeur Denis Rousseau de l'Albert Einstein College of Medicine à New York qui travaille sur la structure de la cytochrome c oxydase, une enzyme clé impliquée dans la respiration aérobie.

La cytochrome c oxydase (CcO) est la dernière enzyme de la chaîne respiratoire de transport des électrons des cellules situées dans la membrane mitochondriale. Il reçoit un électron de chacune des quatre molécules du cytochrome c, et les transfère à une molécule d'oxygène (deux atomes), convertir l'oxygène moléculaire en deux molécules d'eau.

Des chercheurs du CASD, dont le professeur de physique Richard Snell de l'ASU, John Spence, a aidé à mettre au point une nouvelle technique appelée cristallographie en série femtoseconde (millionième de milliardième de seconde) résolue en temps (TR-SFX). Cette technique tire parti d'un laser à électrons libres à rayons X (XFEL) du laboratoire national d'accélérateurs SLAC du ministère de l'Énergie (DOE), Stanford.

SFX est une technique prometteuse pour la détermination de la structure des protéines, où un flux liquide contenant des cristaux de protéines est croisé avec un faisceau XFEL à haute intensité qui est un milliard de fois plus lumineux que les sources de rayons X synchrotron traditionnelles.

Alors que les cristaux diffractent et immédiatement après sont détruits par le faisceau XFEL intense, les diagrammes de diffraction résultants peuvent être enregistrés avec des détecteurs de pointe. De nouvelles méthodes puissantes d'analyse de données ont été développées, permettant à une équipe d'analyser ces schémas de diffraction et d'obtenir des cartes de densité électronique et des informations structurelles détaillées sur les protéines.

La méthode est particulièrement intéressante pour les protéines difficiles à cristalliser, comme les protéines membranaires, car il fournit des informations structurelles à haute résolution à partir de petits micro- ou nanocristaux, réduisant ainsi la contribution des défauts cristallins et évitant la croissance fastidieuse (voire impossible) de gros cristaux comme cela est requis dans la cristallographie traditionnelle basée sur le synchrotron.

Cette nouvelle méthode de « diffraction avant destruction » a ouvert de nouvelles voies pour la détermination structurale de biomolécules fragiles dans des conditions physiologiquement pertinentes (à température ambiante et en l'absence de cryoprotecteurs) et sans dommage radiologique.

Le CcO réduit l'oxygène en eau et exploite l'énergie chimique pour entraîner la relocalisation des protons (atomes d'hydrogène chargés positivement) à travers la membrane mitochondriale interne par un mécanisme non résolu auparavant.

En résumé, les études TR-SFX ont permis la détermination structurale d'un intermédiaire oxygéné clé de bCcO. Les résultats des expériences de l'équipe fournissent de nouvelles informations sur le mécanisme de relocalisation des protons dans l'enzyme de la vache par rapport à celui des CcO bactériens, et ouvre la voie à la détermination des structures d'autres intermédiaires CcO, ainsi que des espèces transitoires formées dans d'autres réactions enzymatiques.