Des chercheurs de l'Institut Paul Scherrer PSI ont utilisé la Swiss Light Source SLS pour enregistrer une machine à énergie moléculaire en action et ainsi révéler le fonctionnement de la production d'énergie au niveau des membranes cellulaires. À cette fin, ils ont développé une nouvelle méthode d'investigation qui pourrait rendre l'analyse des processus cellulaires beaucoup plus efficace qu'auparavant. Ils ont maintenant publié leurs résultats dans la revue Science .

Dans tous les êtres vivants, les changements structurels des protéines sont responsables de nombreuses fonctions biochimiquement contrôlées, par exemple la production d'énergie au niveau des membranes cellulaires. La protéine bactériorhodopsine est présente dans les micro-organismes qui vivent à la surface des lacs, ruisseaux, et d'autres plans d'eau. Activé par la lumière du soleil, cette molécule pompe des particules chargées positivement, protons, de l'intérieur vers l'extérieur à travers la membrane cellulaire. En faisant cela, il change constamment de structure.

Les chercheurs du PSI ont déjà pu élucider une partie de ce processus avec des lasers à rayons X à électrons libres (FEL) tels que le SwissFEL. Maintenant, ils ont également réussi à enregistrer la partie encore inconnue du processus dans une sorte de film moléculaire. Pour cela, ils ont pris une méthode qui n'était auparavant utilisable que dans les FEL et l'ont développée pour une utilisation à la source lumineuse suisse SLS. L'étude souligne la synergie entre les options analytiques de ces deux installations de recherche à grande échelle du PSI. "Avec la nouvelle méthode chez SLS, on peut maintenant suivre la dernière partie du mouvement de la bactériorhodopsine, où les pas sont de l'ordre de la milliseconde, " explique Tobias Weinert, premier auteur de l'article. "Avec des mesures aux FEL aux États-Unis et au Japon, nous avions déjà mesuré les deux premiers sous-processus avant la mise en service du SwissFEL, " dit Weinert. " Celles-ci se déroulent très rapidement, de la femtoseconde à la microseconde." Une femtoseconde correspond à un milliardième de seconde.

Pour pouvoir observer de tels processus, les chercheurs utilisent la cristallographie dite « pompe-sonde ». Avec cette méthode, ils peuvent prendre des instantanés des mouvements des protéines qui peuvent ensuite être assemblés en films. Pour les expériences, les protéines sont mises sous forme cristalline. Un faisceau laser, imiter la lumière du soleil, déclenche la séquence de mouvements dans la protéine. Les rayons X qui frappent l'échantillon par la suite produisent des images de diffraction, qui sont enregistrées par un détecteur à haute résolution. De ces, les ordinateurs génèrent une image de la structure de la protéine à chaque instant.

Le film créé à partir des mesures effectuées au SLS montre comment la structure de la molécule de bactériorhodopsine change dans les 200 millisecondes qui suivent son activation par la lumière. Avec ça, un "photocycle" complet de la molécule a maintenant été élucidé.

La bactériorhodopsine fonctionne comme une machine biologique qui pompe des protons de l'intérieur de la cellule à travers la membrane vers l'extérieur. Cela crée un gradient de concentration au niveau de la membrane cellulaire. Sur sa face externe, il y a plus de protons que sur sa face interne. La cellule utilise ce gradient pour gagner de l'énergie pour son métabolisme en permettant aux protons ailleurs d'équilibrer les différentes concentrations externes et internes. Ce faisant, la cellule produit de l'ATP, une source d'énergie universelle chez les êtres vivants. Ensuite, la bactériorhodopsine restaure le gradient de concentration.

« Dans la nouvelle étude, nous pouvions maintenant voir les plus grands changements structurels en temps réel dans une molécule jamais "-par "grand" le scientifique veut dire neuf angströms, C'est, un millionième de l'épaisseur d'un cheveu humain. Grâce à ces changements structurels, une brèche s'ouvre dans la protéine dans laquelle se forme une chaîne de molécules d'eau, et cela est responsable du transport des protons à travers la membrane cellulaire. "Avant nous, personne n'avait jamais observé cette chaîne d'eau directement, " note joyeusement le biochimiste.

Ces observations n'ont été rendues possibles que par la modification de la méthode précédemment employée au SwissFEL pour une utilisation au SLS, et grâce au nouveau détecteur "Eiger" haute résolution et rapide de SLS. Weinert est certain que la nouvelle méthode d'investigation au moyen de synchrotrons comme le SLS inspirera la recherche dans le monde entier. "Les chercheurs peuvent utiliser la nouvelle méthode et devenir beaucoup plus efficaces, puisque dans le monde il y a beaucoup plus de synchrotrons que de lasers à électrons libres. Par ailleurs, vous avez besoin de moins de cristaux de protéines qu'il n'en faut pour les expériences aux FEL, " ajoute Weinert.

Cependant, pour les processus moléculaires très rapides, et pour obtenir des images particulièrement nettes et des résultats précis, les chercheurs s'appuient sur SwissFEL. "Les processus au début du photocycle se déroulent en quelques femtosecondes. Il n'est possible d'observer des réactions chimiques aussi rapides qu'aux FEL." En outre, les structures peuvent être enregistrées avec une résolution plus élevée aux FEL. Parce que tant de photons frappent l'échantillon à la fois à l'accélérateur linéaire, le détecteur peut capturer une image extrêmement nette.

Weinert met l'accent sur la synergie entre les deux installations de recherche à grande échelle :« Au SwissFEL, seule une petite quantité de temps de faisceau est disponible. Avec les mesures à SLS, nous pouvons nous assurer à l'avance que notre expérience au SwissFEL sera couronnée de succès. Cela augmente l'efficacité."

Les chercheurs ont maintenant publié les résultats de l'étude dans la revue Science .