Par une douce soirée de début juin, Space X a lancé la fusée Falcon 9, qui a transporté le vaisseau spatial Dragon vers la Station spatiale internationale (ISS). Alors que le dragon brisait les liens de la gravité terrestre trois petits, des boîtes noires étaient nichées en toute sécurité dans sa soute. Ces boîtes inoffensives abritent une expérience qui pourrait aider les chercheurs à développer de nouveaux antidotes aux agents neurotoxiques utilisés dans les zones de conflit.

Chaque boîte contient 30 chambres où les cristaux de la protéine, l'acétylcholinestérase (AChE), grandira. La protéine joue un rôle central dans la communication normale entre les cellules nerveuses ainsi que les cellules nerveuses et musculaires du corps humain. Lorsque l'AChE est incapable de fonctionner, les résultats sont fatals.

L'AChE est inhibée par un groupe de produits chimiques que l'on trouve couramment dans les pesticides et les agents neurotoxiques, appelés organophosphorés. L'exposition provoque des tremblements, paralysie respiratoire et, sans antidote, décès. À l'échelle mondiale, ces produits chimiques sont responsables de 200, 000 morts chaque année.

Les antidotes agissent en réactivant la protéine AChE et en éliminant l'excès de toxine du corps. L'antidote approuvé par la FDA le plus couramment utilisé, le pralidoxime (2-PAM), désengage la molécule d'organophosphate de la protéine AChE, qui peut revenir à des fonctions normales. Les quelques antidotes disponibles pour l'homme sont insuffisamment efficaces et lents.

"Nous devons développer des antidotes efficaces contre plusieurs types d'organophosphates et capables de traverser la barrière hémato-encéphalique pour réactiver plus facilement plusieurs protéines AChE, " dit Don Blumenthal, professeur agrégé de pharmacologie et de toxicologie à l'Université de l'Utah Health. "C'est particulièrement important pour un scénario de pertes massives."

Blumenthal a été le catalyseur qui a réuni une équipe d'experts de tout le pays dirigée par le chercheur principal du projet, Zoran Radić, professeur agrégé à la Skaggs School of Pharmacy and Pharmaceutical Sciences de l'Université de Californie, San Diego (UCSD), à la recherche d'antidotes à ces terribles toxines.

À l'arrivée à l'ISS, L'astronaute Jack Fisher a récupéré les cartons et, avec un tour de quelques leviers, capsules exposées qui contiennent la solution de protéines à un cocktail de divers sels et tampons dans chaque chambre. Au cours des quatre prochains mois, le cocktail va déshydrater la solution de protéines, permettant à la protéine AChE de cristalliser et de croître dans la microgravité de la station spatiale.

Naviguer dans les gorges catalytiques

Les scientifiques ont commencé à cartographier la structure de la protéine AChE il y a plusieurs décennies en utilisant la cristallographie aux rayons X. Blumenthal, qui a passé sa carrière à utiliser cette technique, décrit ces structures comme de simples instantanés de la structure de la protéine, capturé à une température glaciale, 100 Kelvin (-280 °F). Ils ont révélé une structure protéique complexe avec un gouffre profond, appelé la gorge catalytique, en son centre.

"La gorge catalytique est comme un slot canyon, " a déclaré Blumenthal. " L'énigme a été de savoir comment faire entrer l'organophosphate et la molécule d'antidote dans cet espace restreint. "

Dans son état congelé, la gorge ne peut accueillir ni grosse molécule, beaucoup moins les deux à la fois, qui a contrecarré les tentatives des chercheurs de développer de nouveaux antidotes.

Au plus profond de la gorge se trouve le site enzymatique actif, où le neurotransmetteur, acétylcholine, est décomposé et les antidotes fonctionnent.

"Le site enzymatique actif a évolué pour s'adapter rapidement aux neurotransmetteurs, " dit Radić. "Jusqu'à 10, 000 neurotransmetteurs peuvent entrer et sortir du site enzymatique chaque seconde."

Les organophosphorés se lient au site enzymatique actif et bloquent la dégradation du neurotransmetteur.

"La seule explication de la façon dont les organophosphorés et les antidotes naviguent dans la gorge est que la protéine respire, " dit Blumenthal.

Bien que la protéine ne soit pas réellement inhalée et expirée, les chercheurs pensent que sa structure est dynamique et change de forme pour s'adapter aux grosses molécules. À l'aide de rayons X, Blumenthal et ses collègues ont identifié l'emplacement des atomes lourds dans la structure de la protéine, mais la magie derrière le mouvement de la protéine réside dans la cartographie de l'emplacement exact des atomes d'hydrogène plus légers, qui constituent la moitié des atomes de la protéine.

"Typiquement, nous n'avons que notre imagination pour cartographier où se trouvent les atomes d'hydrogène dans la structure cristalline en fonction de notre intuition et de nos connaissances chimiques, " a déclaré Andrey Kovalevsky, Scientifique du personnel de R&D de la division Biologie et matière molle du Laboratoire national d'Oak Ridge (ORNL). "Cela ne nous donne pas toujours la bonne réponse."

Alors que la cristallographie neutronique est plus chère, et moins disponible que la cristallographie aux rayons X, Kovalevsky est constamment étonné par les résultats inattendus. En frappant le cristal, le faisceau de neutrons se propage, produire un diagramme de diffraction qui détaille le placement de chaque atome, même les atomes d'hydrogène, dans la structure.

"Les structures révélées par la diffraction des neutrons peuvent complètement réécrire notre compréhension de la chimie derrière les processus biologiques, du fonctionnement des enzymes à la manière dont les médicaments se lient à une cible, ", a déclaré Kovalevski.

Contourner les obstacles de la Terre

Mais Kovalevsky a été bloqué. Malgré des années passées à développer des conditions de croissance optimales à la surface de la Terre, aucun cocktail n'a fait croître ces cristaux de protéines suffisamment gros pour diffracter le faisceau de neutrons.

"La croissance du cristal est un art, ", a déclaré Kovalevsky. "Chaque cristallographe lutte avec ce processus pour produire des cristaux suffisamment gros et toujours de bonne qualité."

C'est à ce moment-là qu'il a eu l'idée folle. Envoyez les cristaux dans l'espace.

Ses collègues ont accepté.

"Quand je suis arrivé à Oak Ridge, J'ai entendu parler d'autres scientifiques qui ont essayé cette voie et ont fait pousser de meilleurs cristaux dans l'espace, " dit Kovalevsky. Puis, il rit, "Ayant grandi en Ukraine, Je n'aurais jamais imaginé que j'enverrais une expérience dans l'espace."

Alors que les cristaux dans l'espace ne peuvent devenir que légèrement plus gros que leurs homologues sur Terre, ils s'allongeront le long de chaque dimension de sa structure tridimensionnelle. Par conséquent, le volume augmentera considérablement.

En outre, ils se forment de façon plus organisée. Un cristal est composé d'unités plus petites, qui s'assemblent comme des blocs de construction dans un modèle uniforme. Dans l'espace, ces blocs sont réunis selon un motif plus régulier pour former un meilleur cristal.

"Un plus grand volume et un cristal plus organisé, " a déclaré Kovalevsky. " Tout est connecté pour produire un meilleur motif de diffraction. "

Mais Kovalevsky a dû se démener. Il avait moins d'un an après que ses collègues eurent obtenu une place sur un futur vol spatial pour ré-optimiser le système afin de faire croître ces cristaux de protéines dans les limites d'un vaisseau spatial.

Les cristaux qui reviendront sur Terre dans quatre petits mois seront des cristaux composés, composé de la protéine AChE plus l'un des trois antidotes expérimentaux - deux créés à l'UCSD et un antidote organophosphoré largement testé, MMB4. Kovalevsky soumettra ces cristaux à un faisceau de neutrons à l'ORNL.

Après avoir cloué la structure protéique, ils utiliseront ces informations dans des simulations informatiques pour concevoir de nouvelles molécules pouvant accéder au site d'activation à la base de la gorge. Ils synthétiseront des antidotes candidats et compareront leur efficacité au traitement actuel approuvé par la FDA, 2-PAM.

Les chercheurs doivent maintenant jouer le jeu de l'attente jusqu'à ce que les cristaux soient ramenés sur Terre. Ils prévoient que le vaisseau spatial de retour s'abattra dans l'océan Pacifique en octobre. Les 90 cristaux contenus dans le petit, les boîtes noires auront parcouru des centaines de kilomètres de la Terre à l'ISS et à nouveau à la maison.

"Plus vite nous pourrons obtenir les informations sur le cristal, plus vite nous pourrons commencer à identifier et créer de nouveaux antidotes, " dit Blumenthal.