Une équipe internationale de scientifiques a utilisé pour la première fois un laser à rayons X à électrons libres pour démêler la structure d'une particule virale intacte au niveau atomique. La méthode utilisée réduit considérablement la quantité de matériel viral nécessaire, tout en permettant également de mener les enquêtes plusieurs fois plus rapidement qu'auparavant. Cela ouvre des perspectives de recherche entièrement nouvelles, comme le rapporte l'équipe de recherche dirigée par le scientifique de DESY, Alke Meents, dans la revue Méthodes naturelles .

Dans le domaine connu sous le nom de biologie structurale, les scientifiques examinent la structure tridimensionnelle des molécules biologiques afin de déterminer leur fonctionnement. Cette connaissance améliore notre compréhension des processus biologiques fondamentaux qui se déroulent à l'intérieur des organismes, comme la manière dont les substances sont transportées dans et hors d'une cellule, et peut également être utilisé pour développer de nouveaux médicaments.

"Connaître la structure tridimensionnelle d'une molécule comme une protéine donne un bon aperçu de son comportement biologique, " explique le co-auteur David Stuart, Directeur des sciences de la vie à l'installation synchrotron Diamond Light Source au Royaume-Uni et professeur à l'Université d'Oxford. « Un exemple est la façon dont la compréhension de la structure d'une protéine qu'un virus utilise pour « s'accrocher » à une cellule pourrait signifier que nous sommes en mesure de concevoir une défense pour la cellule afin de rendre le virus incapable de l'attaquer. »

La cristallographie aux rayons X est de loin l'outil le plus prolifique utilisé par les biologistes structurels et a déjà révélé les structures de milliers de molécules biologiques. De minuscules cristaux de la protéine d'intérêt se développent, puis illuminé à l'aide de rayons X à haute énergie. Les cristaux diffractent les rayons X de manière caractéristique de sorte que les diagrammes de diffraction résultants peuvent être utilisés pour déduire la structure spatiale du cristal - et donc de ses composants - à l'échelle atomique. Cependant, les cristaux de protéines sont loin d'être aussi stables et solides que les cristaux de sel, par exemple. Ils sont difficiles à cultiver, restant souvent minuscule, et sont facilement endommagés par les rayons X.

"Les lasers à rayons X ont ouvert une nouvelle voie à la cristallographie des protéines, parce que leurs impulsions extrêmement intenses peuvent être utilisées pour analyser même des cristaux extrêmement minuscules qui ne produiraient pas une image de diffraction suffisamment lumineuse en utilisant d'autres sources de rayons X, " ajoute le co-auteur Armin Wagner de Diamond Light Source. Cependant, chacun de ces microcristaux ne peut produire qu'une seule image de diffraction avant de s'évaporer sous l'effet de l'impulsion de rayons X. Pour effectuer l'analyse structurelle, bien que, des centaines voire des milliers d'images de diffraction sont nécessaires. Dans de telles expériences, les scientifiques injectent donc un fin jet liquide de cristaux de protéines à travers un laser à rayons X pulsé, qui libère une séquence rapide de salves extrêmement courtes. Chaque fois qu'une impulsion de rayons X frappe un microcristal, une image de diffraction est produite et enregistrée.

Cette méthode est très réussie et a déjà été utilisée pour déterminer la structure de plus de 80 biomolécules. Cependant, la majeure partie de l'échantillon est gaspillée. « Le taux de réussite est généralement inférieur à 2 % des impulsions, ainsi la plupart des précieux microcristaux finissent inutilisés dans le conteneur de collecte, " dit Meents, qui est basé au Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) à Hambourg, une coopération de DESY, l'Université de Hambourg et la Société allemande Max Planck. La méthode standard nécessite donc généralement plusieurs heures de temps de faisceau et des quantités importantes de matériau d'échantillon.

Afin d'utiliser plus efficacement le temps de faisceau limité et le précieux échantillon, l'équipe a développé une nouvelle méthode. Les scientifiques utilisent une puce à micro-motifs contenant des milliers de minuscules pores pour contenir les cristaux de protéines. Le laser à rayons X balaie ensuite la puce ligne par ligne, et idéalement cela permet d'enregistrer une image de diffraction pour chaque impulsion du laser.

L'équipe de recherche a testé sa méthode sur deux échantillons de virus différents à l'aide du laser à rayons X LCLS au SLAC National Accelerator Laboratory aux États-Unis, qui produit 120 impulsions par seconde. Ils ont chargé leur porte-échantillon avec une petite quantité de microcristaux de l'entérovirus bovin 2 (BEV2), un virus qui peut provoquer des fausses couches, mortinaissances, et l'infertilité chez les bovins, et qui est très difficile à cristalliser.

Dans cette expérience, les scientifiques ont atteint un taux de réussite - où le laser à rayons X a ciblé avec succès le cristal - de jusqu'à neuf pour cent. En seulement 14 minutes, ils avaient collecté suffisamment de données pour déterminer la structure correcte du virus – qui était déjà connue grâce à des expériences sur d'autres sources lumineuses à rayons X – jusqu'à une échelle de 0,23 nanomètre (millionième de millimètre).

"Au meilleur de nos connaissances, c'est la première fois que la structure atomique d'une particule virale intacte est déterminée à l'aide d'un laser à rayons X, " Meents souligne. " Alors que les méthodes antérieures d'autres sources lumineuses à rayons X nécessitaient des cristaux d'un volume total de 3,5 nanolitres, nous avons réussi à utiliser des cristaux plus de dix fois plus petits, ayant un volume total de seulement 0,23 nanolitre.

Cette expérience a été menée à température ambiante. Alors que le refroidissement des cristaux de protéines les protégerait dans une certaine mesure des dommages causés par les radiations, ce n'est généralement pas faisable lorsque l'on travaille avec des cristaux de virus extrêmement sensibles. Des cristaux de protéines virales isolées peuvent, cependant, être congelé, et dans un deuxième test, les chercheurs ont étudié la protéine virale polyédrine qui constitue un corps d'occlusion virale pour plusieurs milliers de particules virales de certaines espèces. Les particules virales utilisent ces conteneurs pour se protéger des influences environnementales et peuvent donc rester intactes beaucoup plus longtemps.

Pour le deuxième essai, le scientifique a chargé sa puce de cristaux de polyédrine et les a examinés à l'aide du laser à rayons X tout en maintenant la puce à des températures inférieures à moins 180 degrés Celsius. Ici, les scientifiques ont atteint un taux de réussite allant jusqu'à 90 pour cent. En seulement dix minutes, ils avaient enregistré plus qu'assez d'images de diffraction pour déterminer la structure de la protéine à 0,24 nanomètre près. "Pour la structure de la polyédrine, nous n'avons eu qu'à scanner une seule puce qui était chargée de quatre microgrammes de cristaux de protéines; c'est-à-dire des ordres de grandeur inférieurs à la quantité qui serait normalement nécessaire, " explique Meents.

"Notre approche réduit non seulement le temps de collecte des données et la quantité d'échantillon nécessaire, il ouvre également la possibilité d'analyser des virus entiers à l'aide de lasers à rayons X, » résume Meents. Les scientifiques veulent désormais multiplier par dix la capacité de leur puce, à partir de 22, 500 à quelque 200, 000 micropores, et augmenter encore la vitesse de balayage jusqu'à un millier d'échantillons par seconde. Cela permettrait de mieux exploiter le potentiel du nouveau laser à rayons X à électrons libres européen XFEL, qui vient de démarrer dans la région de Hambourg et qui pourra en produire jusqu'à 27, 000 impulsions par seconde. Par ailleurs, la prochaine génération de puces n'exposera que les micropores en cours d'analyse, pour éviter que les cristaux restants ne soient endommagés par le rayonnement diffusé du laser à rayons X.

Des chercheurs de l'Université d'Oxford, l'Université de Finlande orientale, l'Institut Suisse Paul Scherrer, le Lawrence Berkeley National Laboratory aux États-Unis et le SLAC ont également participé à la recherche. Les scientifiques du diamant ont collaboré avec l'équipe de DESY, une grande partie du développement et des tests de la puce à micro-motifs étant effectués sur les lignes de lumière I02 et I24 de Diamond.