Une équipe de scientifiques du SLAC National Accelerator Laboratory du ministère de l'Énergie et de l'Université de Stanford a mieux compris comment les champs électriques affectent la façon dont l'énergie de la lumière entraîne le mouvement moléculaire et la transformation d'une protéine couramment utilisée en imagerie biologique. Une meilleure compréhension de ce phénomène, qui est crucial pour de nombreux processus qui se produisent dans les systèmes et matériaux biologiques, pourrait permettre aux chercheurs d'affiner les propriétés d'un système pour exploiter ces effets, par exemple en utilisant la lumière pour contrôler les neurones dans le cerveau. Leurs conclusions ont été publiées dans Science en janvier.

Tortille-toi et crie

Vision humaine, la photosynthèse et d'autres processus naturels récoltent la lumière avec des protéines qui contiennent des molécules appelées chromophores, dont beaucoup se tordent lorsque la lumière les frappe. La marque de ce mouvement de torsion, appelée photoisomérisation, est qu'une partie de la molécule tourne autour d'une liaison chimique particulière.

« Quelque chose dans l'environnement protéique dirige ce processus très spécifique et important, " dit Steven Boxer, un chimiste biophysique et professeur de Stanford qui a supervisé la recherche. "Une possibilité est que la distribution des atomes dans l'espace moléculaire bloque ou permette la rotation autour de chaque liaison chimique, connu sous le nom d'effet stérique. Une alternative a à voir avec l'idée que lorsque des molécules avec des doubles liaisons sont excitées, il y a une séparation de charge, et ainsi les champs électriques environnants pourraient favoriser la rotation d'une liaison par rapport à une autre. C'est ce qu'on appelle l'effet électrostatique."

Un air différent

Pour en savoir plus sur ce processus, les chercheurs ont examiné la protéine fluorescente verte, une protéine fréquemment utilisée en imagerie biologique dont le chromophore peut répondre à la lumière de plusieurs manières sensibles à son environnement local au sein de la protéine, produisant une lumière fluorescente de différentes couleurs et intensités.

Matt Romei et Chi-Yun Lin, étudiants diplômés de Stanford, qui a dirigé l'étude, réglé les propriétés électroniques du chromophore dans la protéine en introduisant des groupes chimiques qui ajoutaient ou soustrayaient systématiquement des électrons du chromophore pour créer un effet de champ électrique. Ensuite, ils ont mesuré comment cela affectait le mouvement de torsion du chromophore.

Avec l'aide du coauteur Irimpan Mathews, un scientifique à Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) du SLAC, les chercheurs ont utilisé une technique aux rayons X appelée cristallographie macromoléculaire sur les lignes de lumière SSRL 7-1, 12-2 et 14-1 pour cartographier les structures de ces protéines accordées pour montrer que ces changements ont eu peu d'effet sur la structure atomique du chromophore et de la protéine environnante. Puis, en utilisant une combinaison de techniques, ils ont pu mesurer comment les changements dans la distribution des électrons du chromophore affectaient l'endroit où la rotation se produisait lorsqu'il était touché par la lumière.

"Jusqu'à maintenant, la plupart des recherches sur la photoisomérisation dans cette protéine particulière ont été soit théoriques, soit axées sur l'effet stérique, " dit Romei. " Cette recherche est l'une des premières à étudier expérimentalement le phénomène et à montrer l'importance de l'effet électrostatique. Une fois que nous avons tracé les données, nous avons vu ces très belles tendances qui suggèrent que le réglage des propriétés électroniques du chromophore a un impact énorme sur ses propriétés d'isomérisation des liaisons."

Outils de rodage

Ces résultats suggèrent également des moyens de concevoir des protéines sensibles à la lumière en manipulant l'environnement autour du chromophore. Lin ajoute que cette même approche expérimentale pourrait être utilisée pour étudier et contrôler l'effet électrostatique dans de nombreux autres systèmes.

"Nous essayons de comprendre le principe qui contrôle ce processus, " dit Lin. " En utilisant ce que nous apprenons, nous espérons appliquer ces concepts pour développer de meilleurs outils dans des domaines tels que l'optogénétique, où vous pouvez manipuler sélectivement les nerfs pour conduire à certaines fonctions dans le cerveau."

Boxer ajoute que l'idée que les champs électriques organisés au sein des protéines sont importants pour de nombreuses fonctions biologiques est un concept émergent qui pourrait intéresser un large public.

"Une grande partie du travail dans notre laboratoire se concentre sur le développement de méthodes pour mesurer ces champs et les relier à des fonctions telles que la catalyse enzymatique, " il dit, "et nous voyons maintenant que la photoisomérisation s'inscrit dans ce cadre."