Pepsi-SAXS est un nouveau, méthode très efficace pour le calcul des profils de diffusion des rayons X, qui sont nécessaires pour l'analyse des molécules de protéines à l'état de solution. La méthode a été créée par des scientifiques de l'Université Grenoble Alpes et du MIPT, dirigé par Sergueï Grudinine. L'équipe a testé sa méthode, et les résultats ont été publiés par l'Union internationale de cristallographie dans sa revue Acta Crystallographica Section D :Biologie structurale .

Les protéines ont une structure complexe et une taille extrêmement petite, de l'ordre de quelques nanomètres. Pour les étudier, les chercheurs doivent trouver des méthodes inhabituelles, parce que les échantillons de protéines sont trop facilement détruits et leurs propriétés modifiées au cours des expériences. La connaissance des structures et des mécanismes fonctionnels des biomolécules permet de développer de nouveaux médicaments non pas par essais et erreurs - techniquement appelés criblage à haut débit - mais d'une manière plus ciblée.

L'une des techniques utilisées pour étudier les protéines est l'analyse des rayons X diffusés par celles-ci. Les chercheurs doivent utiliser les rayons X et non la lumière ordinaire pour zoomer sur des atomes individuels avec une taille caractéristique de l'ordre de 0,1 nanomètre. Plus l'objet est petit, plus la longueur d'onde de la lumière qui doit être utilisée pour l'observer est courte. La lumière visible comprend des longueurs d'onde comprises entre 400 et 700 nanomètres. rayons X, d'autre part, ont une longueur d'onde beaucoup plus courte et peuvent donc être utilisés pour examiner les structures moléculaires.

"La nouvelle méthode nous permet de tracer des courbes de diffusion de manière efficace et précise, et analyser la structure tridimensionnelle d'un échantillon, " déclare Maria Garkavenko, étudiante au MIPT, un co-auteur de l'article. "Entre autres, Pepsi-SAXS améliore l'efficacité de la modélisation et la précision de la prédiction de la structure des macromolécules en trois dimensions."

Diffusion des rayons X aux petits angles, ou SAXS, est une technique expérimentale qui consiste à diffuser les rayons X d'un échantillon puis à les collecter à de très petits angles. Par conséquent, un tracé de l'intensité du faisceau de rayons X diffusé en fonction de l'angle d'incidence est obtenu. En utilisant ce tracé, un échantillon de protéine peut être comparé à d'autres échantillons de la base de données expérimentale pour déterminer sa structure et ses propriétés.

Par rapport à d'autres techniques utilisées pour déterminer la structure de l'échantillon, SAXS est beaucoup plus simple et moins cher. Il ne nécessite qu'une préparation minimale de l'échantillon, et les protéines n'ont pas besoin d'être congelées ou cristallisées. Les échantillons sont étudiés en solution et dans leur état fonctionnel. Cela rend les résultats beaucoup plus fiables, car la préparation des échantillons peut parfois altérer l'état et les propriétés d'une protéine. Un autre avantage important de la méthode est qu'elle est non destructive, ce qui signifie que l'échantillon expérimental reste largement insensible aux rayons X.

Mais jusqu'à récemment, SAXS présentait un inconvénient majeur :la méthode était gourmande en calculs, ce qui signifiait qu'il ne pouvait pas être utilisé si le nombre d'expériences était important. Il a fallu des heures pour traiter les résultats d'une seule expérience. Initialement, le nombre de calculs était directement proportionnel au carré du nombre d'atomes dans l'échantillon, ce dernier nombre dépasse généralement le millier. Cependant, dans les années 1970, Heinrich Stuhrmann, un chercheur allemand, a eu une idée qui a simplifié les calculs. Il a proposé que la diffusion sur les composés moléculaires soit décrite en termes de fonctions d'un type particulier appelé harmoniques sphériques. Cette approche s'est avérée un succès. Au cours des années, un certain nombre d'outils informatiques pour l'analyse des données SAXS ont été créés. Des contributions importantes à leur développement ont été apportées par des chercheurs avec une formation scientifique soviétique dont Dmitri Svergun (travaillant actuellement à Hambourg), qui a écrit la suite logicielle ATSAS pour l'analyse des données SAXS dans la recherche sur les macromolécules biologiques. Les chercheurs de l'étude rapportée ici ont examiné plusieurs méthodes de calcul et les ont comparées à leur propre technique.

"Pepsi-SAXS signifie" expansions polynomiales des structures et interactions des protéines " et " diffusion des rayons X aux petits angles ". C'est une méthode adaptative pour le calcul rapide et précis des profils de diffusion des rayons X aux petits angles, " explique Andrei Kazennov, doctorant au MIPT, un co-auteur de l'article. "Pepsi-SAXS peut être adapté à la taille d'un échantillon donné et à la résolution des données expérimentales."

Les chercheurs ont également créé un modèle efficace de la coque d'hydratation - une couche de molécules d'eau entourant les protéines en solution - et l'ont incorporé dans leur logiciel, augmenter la précision de la méthode.

"Notre méthode a été validée sur un large ensemble de données de BioIsis et SASBDB, les deux plus grandes bases de données biologiques, " dit Sergueï Grudinine, qui a supervisé la recherche. "Nous avons montré que Pepsi-SAXS est cinq à 50 fois plus rapide que les méthodes précédemment utilisées, à savoir CRYSOL, FoxS, et la technique tridimensionnelle de Zernike implémentée dans le package SAStbx. À la fois, la précision est à la hauteur d'eux."

Les chercheurs ont porté une attention particulière à l'analyse des résultats qu'ils ont obtenus, qui ont été comparés aux données expérimentales.

La recherche sur les protéines a une importance fondamentale pour notre compréhension des processus fondamentaux qui sous-tendent la vie, ainsi que pour le développement de médicaments, traitements, et matières organiques, y compris les organes artificiels. Le nouvel outil présenté par les auteurs pourrait permettre des progrès 50 fois plus rapides dans ces domaines.