Une protéine photosensible d'un amateur de sel, microbe formateur de soufre s'est avéré essentiel pour développer des méthodes essentielles à la découverte de médicaments avancés, comprendre la vision humaine et d'autres applications biomédicales. Dans une revue publiée cette semaine dans Dynamique structurelle , Le physicien Marius Schmidt de l'Université du Wisconsin-Milwaukee présente un historique de décennies de recherche sur ce microbe et les nombreuses nouvelles technologies qui ont permis ces applications.
En 1985, les chercheurs ont découvert que la bactérie de soufre pourpre Halorhodospira halophila a produit une protéine de détection de lumière bleue connue sous le nom de protéine jaune photo-active (PYP). Les changements structurels dans les torsions et les replis de la protéine PYP agissent comme des signaux qui aident les bactéries à répondre aux stimuli. Ces changements structurels, conservé à travers de nombreuses protéines similaires, sont également nécessaires au fonctionnement de diverses autres protéines, comme le pigment rhodopsine responsable de la vision en basse lumière dans l'œil humain.
Lorsqu'il est déclenché par un éclair de lumière bleue, Le PP subit une série de changements structurels qui se produisent en quelques millisecondes, formant de nombreuses structures intermédiaires en cours de route. Pendant près de trois décennies, les chercheurs ont utilisé des techniques telles que la spectroscopie et les mesures synchrotron pour identifier chaque intermédiaire formé dans cette petite échelle de temps.
Être capable de repérer ces intermédiaires de réaction est une étape importante dans le développement d'un médicament car les mêmes méthodes peuvent ensuite être appliquées pour étudier des réactions d'importance biomédicale, Schmidt a expliqué.
"Par exemple, vous pouvez voir comment fonctionne une enzyme liée au cancer qui catalyse une réaction spécifique, ", a-t-il déclaré. "Chaque nouvelle structure intermédiaire que nous identifions pourrait être une cible potentielle de médicament pour manipuler cette réaction."
Contrairement à ces autres protéines, cependant, Le PYP est petit et facile à produire en grande quantité, le rendant idéal pour les études expérimentales de la structure des protéines. En 1995, les chercheurs ont déterminé la structure de la protéine PYP en utilisant la cristallographie à une résolution de 1,4 angström, c'est à peu près la taille des atomes individuels. En premier, la plupart des recherches ont utilisé des approches basées sur la spectroscopie pour comprendre les changements structurels rapides catalysés par la lumière dans le PYP.
Les premières investigations basées sur la structure se sont appuyées sur le synchrotron et les lignes de lumière à base de synchrotron, qui utilisent une seule impulsion de rayons X, comme sources lumineuses pour étudier les cristaux de protéines. Ces expériences ont produit des schémas de diffraction pour révéler des intermédiaires de réaction formés à seulement 100 picosecondes, moins d'un milliardième de seconde, après la réaction jusqu'à la fin du photocycle. Mais observer des points temporels antérieurs était un défi technique.
La première série chronologique de données a révélé des intermédiaires à la phase de 100 nanosecondes à 100 millisecondes de la réaction PYP, mais a également posé un défi analytique. Parce que les intermédiaires se forment et se désintègrent si rapidement, un échantillon en un point donné porte un mélange de structures intermédiaires. Comment les scientifiques pourraient-ils les distinguer ?
« Jusqu'au début des années 2000, comment démêler ce mélange était un problème non résolu, " a déclaré Schmidt. "Mais le PP a fourni les premiers ensembles de données à partir desquels on peut essayer de le faire."
La solution est issue d'une méthode d'analyse en composants connue sous le nom de décomposition en valeurs singulières (SVD), qui a été appliqué à la cristallographie résolue en temps par Schmidt et ses collègues.
"[SVD] peut commodément être utilisé pour extraire la structure d'intermédiaires purs d'un mélange, " Schmidt a déclaré. "Cela s'est vraiment avéré être une méthode centrale dans l'analyse de ces données et celle qui a le plus d'applications jusqu'à présent. "
Jusqu'en 2013, les chercheurs avaient élucidé le photocycle PYP avec une résolution de 100 picosecondes; l'échelle de temps plus rapide s'est avérée insaisissable. L'avènement du laser à électrons libres à rayons X (XFEL), un nouveau type de source lumineuse, aidé à résoudre ce problème. En utilisant les analyses XFEL et SVD, les chercheurs ont également identifié des processus antérieurs, révélant le fondamental, étapes cruciales de la cis- à transisomérisation du PYP sur les échelles de temps femtoseconde et picoseconde.
Des réactions similaires, qui sont essentiels à la vision humaine, se produisent également lorsque la lumière frappe le pigment rétinien rhodopsine. "Cela aurait été super excitant de voir cette isomérisation se produire en temps réel en utilisant XFEL, " a déclaré Schmidt. " Si nous pouvons le voir dans le PP, nous pouvons peut-être aussi le visualiser dans la rhodopsine. Le PP s'est avéré être un modèle pour d'autres réactions caractérisées par une cis-trans-isomérisation."
