La capacité de transformer la lumière du soleil en énergie est l'un des exploits les plus remarquables de la nature. Les scientifiques comprennent le processus de base de la photosynthèse, mais de nombreux détails cruciaux restent insaisissables, se produisant à des dimensions et à des échelles de temps éphémères longtemps considérées comme trop minuscules pour être sondées.

Maintenant, ça change.

Dans une nouvelle étude, dirigé par Petra Fromme et Nadia Zatsepin au Biodesign Center for Applied Structural Discovery, l'École des sciences moléculaires et le Département de physique de l'ASU, les chercheurs ont étudié la structure du photosystème I (PSI) avec des impulsions de rayons X ultracourtes au laser européen à électrons libres de rayons X (EuXFEL), situé à Hambourg, Allemagne.

Le PSI est un grand système biomoléculaire qui agit comme un convertisseur d'énergie solaire transformant l'énergie solaire en énergie chimique. La photosynthèse fournit de l'énergie à toute vie complexe sur Terre et fournit l'oxygène que nous respirons. Les progrès dans la découverte des secrets de la photosynthèse promettent d'améliorer l'agriculture et d'aider au développement de systèmes de stockage d'énergie solaire de nouvelle génération qui combinent l'efficacité de la nature avec la stabilité des systèmes artificiels humains.

"Ce travail est si important, car il montre la première preuve de concept de cristallographie en série mégahertz avec l'une des protéines membranaires les plus grandes et les plus complexes de la photosynthèse :le photosystème I", explique Fromme. "Le travail ouvre la voie à des études résolues en temps à l'EuXFEL pour déterminer des films moléculaires de le chemin parcouru par la lumière des électrons dans la photosynthèse ou visualiser comment les médicaments anticancéreux attaquent les protéines défectueuses."

L'EuXFEL, qui a récemment commencé à fonctionner, est le premier à utiliser un accélérateur linéaire supraconducteur qui offre de nouvelles capacités passionnantes, notamment des taux de répétition très rapides en mégahertz de ses impulsions de rayons X, plus de 9 000 fois plus rapides que tout autre XFEL, avec des impulsions séparées de moins d'un millionième de seconde. Avec ces éclats incroyablement brefs de rayons X, les chercheurs pourront enregistrer beaucoup plus rapidement des films moléculaires de processus biologiques fondamentaux et auront probablement un impact sur divers domaines, notamment la médecine et la pharmacologie, chimie, la physique, la science des matériaux, recherche énergétique, études environnementales, électronique, nanotechnologie, et photonique. Petra Fromme et Nadia Zatsepin sont co-auteurs de l'article, publié dans le numéro actuel de la revue Communication Nature .

La force du nombre

Fromme est le directeur du Biodesign Center for Applied Structural Discovery (CASD) et dirige les efforts de l'équipe expérimentale du projet, tandis que Zatsepin dirigeait l'équipe d'analyse des données XFEL.

"Il s'agit d'une étape importante dans le développement de la cristallographie femtoseconde en série, s'appuyant sur les efforts bien coordonnés d'un grand transversal, équipe internationale et des années de développements dans des domaines disparates" souligne Zatsepin, ancien Professeur Assistant de Recherche au Département de Physique et Biodesign CASD de l'ASU, et maintenant Senior Research Fellow à La Trobe University en Australie.

Christophe Gisriel, le co-premier auteur de l'article, a travaillé sur le projet alors qu'il était chercheur postdoctoral dans le laboratoire Fromme et est enthousiasmé par le projet. "La collecte rapide de données dans des expériences de cristallographie femtoseconde en série rend cette technique révolutionnaire plus accessible à ceux qui s'intéressent à la relation structure-fonction des enzymes. Ceci est illustré par notre nouvelle publication dans Communication Nature montrant que même les structures protéiques les plus difficiles et les plus complexes peuvent être résolues par cristallographie femtoseconde en série tout en collectant des données à un taux de répétition en mégahertz."

"C'est très excitant de voir le travail acharné des nombreuses personnes qui ont conduit ce projet à se matérialiser, " dit Jesse Coe, co-premier auteur qui a obtenu son doctorat l'année dernière. en biochimie de l'ASU. "C'est un grand pas dans la bonne direction vers une meilleure compréhension du processus naturel de transfert d'électrons qui a été affiné au cours de milliards d'années."

Science extrême

Un XFEL (pour X-ray free-electron laser) délivre une lumière X un milliard de fois plus lumineuse que les sources X conventionnelles. Le brillant, des impulsions de rayons X de type laser sont produites par des électrons accélérés à une vitesse proche de la lumière et acheminés à travers l'espace entre des séries d'aimants alternatifs, un appareil appelé onduleur. L'onduleur force les électrons à trembler et à se regrouper en paquets discrets. Chacun des paquets d'électrons ondulants parfaitement synchronisés émet un puissant, brève impulsion de rayons X le long de la trajectoire de vol des électrons.

En cristallographie femtoseconde en série, un jet de cristaux de protéines est injecté sur le trajet du faisceau XFEL pulsé à température ambiante, fournissant des informations structurelles sous la forme de motifs de diffraction. A partir de ces modèles, les scientifiques peuvent déterminer des images à l'échelle atomique de protéines dans des conditions proches des conditions natives, ouvrant la voie à des films moléculaires précis des molécules au travail.

Les rayons X endommagent les biomolécules, un problème qui a tourmenté les efforts de détermination de la structure pendant des décennies, nécessitant la congélation des biomolécules pour limiter les dégâts. Mais les sursauts de rayons X produits par un XFEL sont si courts - de simples femtosecondes - que la diffusion des rayons X d'une molécule peut être enregistrée avant que la destruction n'ait lieu, semblable à l'utilisation d'un obturateur de caméra rapide. Comme point de référence, une femtoseconde est un millionième de milliardième de seconde, le même rapport qu'une seconde est à 32 millions d'années.

En raison de la sophistication, taille et coût des installations XFEL, seuls cinq sont actuellement disponibles pour de telles expériences dans le monde, un goulot d'étranglement important pour les chercheurs, car chaque XFEL ne peut généralement accueillir qu'une seule expérience à la fois. La plupart des XFEL génèrent des impulsions de rayons X entre 30 et 120 fois par seconde et la collecte des données nécessaires pour déterminer une structure unique peut prendre plusieurs heures, voire plusieurs jours. sans parler d'une série d'images dans un film moléculaire. L'EuXFEL est le premier à utiliser un accélérateur linéaire supraconducteur dans sa conception, permettant la succession la plus rapide d'impulsions de rayons X de n'importe quel XFEL, ce qui peut réduire considérablement le temps nécessaire pour déterminer chaque structure ou image du film.

Risque élevé, haute récompense

Parce que l'échantillon est effacé par les intenses impulsions de rayons X, il doit être reconstitué à temps pour la prochaine impulsion radiographique, qui nécessitait que les cristaux PSI soient délivrés 9000 fois plus rapidement à l'EuXFEL qu'aux précédents XFEL - à une vitesse de jet d'environ 50 mètres par seconde (160 pieds par seconde), comme une lance à incendie microfluidique. C'était un défi car il fallait de grandes quantités de la précieuse protéine contenue dans des cristaux uniformes pour atteindre ces vitesses de jet élevées et éviter de bloquer le système de distribution d'échantillons. Les grandes protéines membranaires sont si difficiles à isoler, cristalliser et livrer au faisceau, qu'on ne savait pas si cette classe importante de protéines pouvait être étudiée à l'EuXFEL.

L'équipe a développé de nouvelles méthodes qui ont permis au PSI, qui est un grand complexe composé de 36 protéines et 381 cofacteurs, qui comprennent les 288 chlorophylles (les pigments verts qui absorbent la lumière) et en compte plus de 150, 000 atomes et est plus de 20 fois plus grosse que les protéines précédentes étudiées à l'EuXFEL, d'avoir sa structure déterminée à température ambiante à une résolution remarquable de 2,9 angströms, une étape importante.

Des milliards de microcristaux de la protéine membranaire PSI, dérivé de cyanobactéries, a dû être cultivé pour la nouvelle étude. Une croissance cristalline rapide à partir de germes de nanocristaux était nécessaire pour garantir l'uniformité essentielle de la taille et de la forme des cristaux. Le PSI est une protéine membranaire, qui est une classe de protéines de haute importance qui ont été notoirement difficiles à caractériser. Leurs structures élaborées sont intégrées dans la bicouche lipidique de la membrane cellulaire. Typiquement, ils doivent être soigneusement isolés sous forme pleinement active de leur environnement natif et transformés en un état cristallin, où les molécules s'entassent en cristaux mais conservent toute leur fonction native.

Dans le cas du PSI, ceci est obtenu en l'extrayant avec des détergents très doux qui remplacent la membrane et entourent la protéine comme une chambre à air de piscine, qui imite l'environnement membranaire natif et maintient le PSI pleinement fonctionnel une fois qu'il est emballé dans les cristaux. Ainsi, lorsque les chercheurs mettent en lumière les pigments verts (chlorophylles) qui captent la lumière par le système d'antenne du PSI, l'énergie est utilisée pour projeter un électron à travers la membrane.

Pour garder PSI pleinement fonctionnel, les cristaux ne sont que faiblement tassés contenant 78% d'eau, ce qui les rend mous comme un morceau de beurre au soleil et rend difficile la manipulation de ces cristaux fragiles. "Isoler, caractériser et cristalliser un gramme de PSI, soit un milliard de milliards de molécules PSI, car les expériences sous leur forme pleinement active ont été un énorme effort des étudiants et des chercheurs de mon équipe », explique Fromme. À l'avenir, avec des taux de répétition encore plus élevés et de nouveaux systèmes de livraison d'échantillons, la consommation d'échantillons sera considérablement réduite."

L'enregistrement et l'analyse des données de diffraction était un autre défi. Un détecteur de rayons X unique a été développé par l'EuXFEL et DESY pour répondre aux exigences des études de biologie structurale à l'EuXFEL :le détecteur de pixels intégrant le gain adaptatif, ou AGIPD. Chacun des 1 million de pixels d'AGIPD mesure moins d'un centième de pouce de diamètre et contient 352 cellules de mémoire analogique, qui permettent à l'AGIPD de collecter des données à des débits en mégahertz sur une large plage dynamique. Cependant, collecter des données cristallographiques précises à partir de microcristaux de grandes protéines membranaires nécessitait un compromis entre la résolution spatiale et l'échantillonnage des données.

"Pousser pour une collecte de données à plus haute résolution avec la taille actuelle du détecteur pourrait empêcher un traitement utile des données cristallographiques, car les taches de diffraction ne sont pas suffisamment résolues par les pixels du détecteur de rayons X" avertit Zatsepin, "mais en termes de débits de données et de plage dynamique, ce dont l'AGIPD est capable est incroyable."

Le nouveau logiciel de réduction de données et d'analyse cristallographique conçu spécifiquement pour relever les défis propres aux ensembles de données massifs de la cristallographie XFEL, dont le développement a été mené par des collaborateurs du CFEL, DESY, et ASU, ont parcouru un long chemin depuis la première expérience XFEL haute résolution en 2011.

« Notre logiciel et les capacités de calcul haute performance de DESY sont vraiment mis à l'épreuve avec les volumes de données sans précédent générés à l'EuXFEL. C'est toujours passionnant de repousser les limites de la technologie de pointe, " ajoute Zatsepin.

Protéines membranaires :disquette, pourtant redoutable

Les protéines membranaires telles que le PSI, nommées parce qu'elles sont intégrées dans les membranes cellulaires, sont essentielles à tous les processus de la vie, y compris la respiration, fonction nerveuse, apport nutritionnel, et la signalisation cellule-cellule. Comme ils se trouvent à la surface de chaque cellule, ils sont également les cibles pharmaceutiques les plus importantes. Plus de 60 % de tous les médicaments actuels ciblent les protéines membranaires. La conception de médicaments plus efficaces avec moins d'effets secondaires dépend donc de la compréhension de la manière dont des médicaments particuliers se lient à leurs protéines cibles et à leurs conformations structurelles et activités dynamiques très détaillées.

Malgré leur énorme importance en biologie, les structures protéiques membranaires représentent moins de 1% de toutes les structures protéiques résolues à ce jour car elles sont notoirement difficiles à isoler, caractériser et cristalliser. C'est pourquoi des avancées majeures dans les méthodes cristallographiques, tels que l'avènement de la cristallographie femtoseconde série mégahertz des protéines membranaires, vont sans aucun doute avoir un impact significatif sur la communauté scientifique.

Il faut un village

Ces récentes réalisations ne seraient pas possibles sans l'effort inlassable d'une équipe dédiée de près de 80 chercheurs de 15 institutions, y compris ASU, le XFEL européen, DESY, le Center for Ultrafast X-ray Science, Institut Hauptman-Woodward, Buffle SUNY, SLAC, Université de Hambourg, Université de Göttingen, Académie hongroise des sciences, Université du Tennessee, Laboratoire national Lawrence Livermore, Université de Southampton, Université de technologie de Hambourg, Université du Wisconsin. Le groupe de recherche comprenait des collaborateurs américains du NSF BioXFEL Science and Technology Center et un groupe de collaborateurs internationaux, dont Adrian P. Mancuso et Romain Letrun, les scientifiques principaux de la ligne de lumière EuXFEL et Oleksandr Yefanov et Anton Barty du CFEL/DESY qui ont travaillé en étroite collaboration avec l'équipe ASU sur l'analyse des données complexes.