Des chercheurs de l'Institut Paul Scherrer PSI ont réussi pour la première fois à enregistrer une pompe à sodium actionnée par la lumière à partir de cellules bactériennes en action. Les résultats promettent des progrès dans le développement de nouvelles méthodes en neurobiologie. Les chercheurs ont utilisé le nouveau laser à rayons X à électrons libres SwissFEL pour leurs investigations. Ils ont publié leurs découvertes aujourd'hui dans la revue La nature .

Le sodium joue un rôle essentiel dans les processus vitaux de la plupart des cellules biologiques. De nombreuses cellules construisent un gradient de concentration entre leur intérieur et l'environnement. Dans ce but, des pompes spéciales dans la membrane cellulaire transportent le sodium hors de la cellule. A l'aide d'un tel gradient de concentration, cellules de l'intestin grêle ou des reins, par exemple, absorber certains sucres.

De telles pompes à sodium se trouvent également dans les membranes des bactéries. Ils appartiennent à la famille des rhodopsines. Ce sont des protéines spéciales qui sont activées par la lumière. Par exemple, les rhodopsines transportent le sodium hors de la cellule dans le cas des bactéries vivant dans l'océan, comme Krokinobacter eikastus. Le composant crucial de la rhodopsine est ce qu'on appelle la rétine, une forme de vitamine A. Elle est d'une importance capitale pour l'homme, animaux, certaines algues et de nombreuses bactéries. Dans la rétine de l'œil humain, par exemple, rétinal initie le processus visuel lorsqu'il change de forme sous l'influence de la lumière.

Réalisation de films ultra-rapide

Des chercheurs de l'Institut Paul Scherrer PSI ont réussi à capturer des images de la pompe à sodium de Krokinobacter eikastus en action et à documenter les changements moléculaires nécessaires au transport du sodium. Pour faire ça, ils ont utilisé une technique appelée cristallographie femtoseconde en série. Une femtoseconde est un quadrillionième de seconde; une milliseconde est la millième partie. L'échantillon à examiner, en l'occurrence une pompe à sodium cristallisé, est d'abord frappé par un laser puis par un faisceau de rayons X. Dans le cas de la rhodopsine bactérienne, le laser active la rétine, et le faisceau de rayons X ultérieur fournit des données sur les changements structurels au sein de la molécule de protéine entière. Étant donné que SwissFEL produit 100 de ces impulsions de rayons X femtosecondes par seconde, les enregistrements peuvent être réalisés avec une résolution temporelle élevée. "Nous ne pouvons atteindre une résolution temporelle de l'ordre de la femtoseconde au PSI qu'avec l'aide de SwissFEL, " dit Christopher Milne, qui a aidé à développer la station expérimentale d'Alvra où les enregistrements ont été réalisés. "L'un des défis est d'injecter les cristaux dans la configuration afin qu'ils rencontrent les impulsions du laser et du faisceau de rayons X avec une précision extrême."

Pompe en action

Dans l'expérience actuelle, les intervalles de temps entre les impulsions laser et rayons X étaient compris entre 800 femtosecondes et 20 millisecondes. Chaque impulsion de rayons X crée une image unique d'un cristal de protéine. Et tout comme un film de cinéma se compose finalement d'un grand nombre de photographies individuelles qui sont enchaînées dans une série et lues rapidement, les images individuelles obtenues avec l'aide de SwissFEL peuvent être assemblées pour former une sorte de film.

"Le processus que nous avons pu observer dans notre expérience, et qui correspond approximativement au transport d'un ion sodium à travers une membrane cellulaire, prend un total de 20 millisecondes, " explique Jörg Standfuss, qui dirige le groupe de cristallographie résolue en temps dans la division Biologie et chimie du PSI . "En plus d'élucider le processus de transport, nous avons également pu montrer comment la pompe à sodium atteint sa spécificité pour le sodium grâce à de petits changements dans sa structure." Cela garantit que seuls les ions sodium, et aucun autre ion chargé positivement, sont transportés. Avec ces enquêtes, les chercheurs ont également révélé les changements moléculaires par lesquels la pompe empêche les ions sodium qui ont été transportés hors de la cellule de revenir dans celle-ci.

Avancées en optogénétique et en neurobiologie

Étant donné que les différences de concentration en sodium jouent également un rôle particulier dans la manière dont les cellules nerveuses conduisent les stimuli, les neurones ont de puissantes pompes à sodium dans leurs membranes. Si plus de sodium s'écoule à l'intérieur de la cellule, un stimulus est transmis. Ces pompes transportent ensuite l'excès de sodium dans la cellule vers l'extérieur.

Comme la pompe à sodium de Krokinobacter eikastus est actionnée par la lumière, les chercheurs peuvent désormais l'utiliser pour ce qu'on appelle l'optogénétique. Avec cette technologie, cellules, dans ce cas les cellules nerveuses, sont génétiquement modifiés de manière à pouvoir être contrôlés par la lumière. La pompe est installée dans les cellules nerveuses à l'aide de méthodes de génétique moléculaire. S'il est ensuite activé par la lumière, un neurone ne peut plus transmettre de stimuli, par exemple, car cela nécessiterait une augmentation de la concentration de sodium dans la cellule nerveuse. Cependant, la rhodopsine bactérienne empêche cela en transportant en continu le sodium hors de la cellule. Ainsi, les pompes à sodium actives rendent un neurone inactif.

"Si nous comprenons exactement ce qui se passe dans la pompe à sodium de la bactérie, il peut aider à améliorer les expériences en optogénétique, " dit Petr Skopintsev, un doctorat candidat dans le groupe de cristallographie résolue en temps. "Par exemple, il peut être utilisé pour identifier des variantes de la rhodopsine bactérienne qui fonctionnent plus efficacement que la forme que l'on trouve habituellement dans Krokinobacter. les chercheurs espèrent mieux comprendre comment des mutations individuelles peuvent modifier les pompes à ions afin qu'elles transportent ensuite des ions autres que le sodium.