À l'intérieur de l'anneau de stockage de 844 mètres de diamètre de l'installation européenne de rayonnement synchrotron, les électrons voyageant presque à la vitesse de la lumière produisent certains des faisceaux de rayons X les plus brillants au monde. Ces rayons X peuvent révéler la position et les mouvements des atomes dans toutes sortes de matière. Sept des 44 lignes de lumière de l'installation sont dédiées à la recherche en biologie structurale et gérées sous les auspices d'un partenariat EMBL-ESRF connu sous le nom de Joint Structural Biology Group (JSBG).

Les lignes de cristallographie macromoléculaire (MX) et de diffusion aux petits angles sont exploitées par des scientifiques des deux institutions, qui utilisent leur expertise pour aider les chercheurs de l'EMBL et les scientifiques invités à obtenir des données structurelles. Les lignes de lumière JSBG sont une ressource extrêmement précieuse pour la communauté internationale de la biologie structurale.

Une ouverture tant attendue

Il y a plus d'un an et demi, l'ESRF a été fermée pendant 20 mois, au cours de laquelle l'anneau du synchrotron a été entièrement reconstruit et mis à niveau pour devenir la première source extrêmement brillante (EBS) au monde, un projet de 150 millions d'euros qui s'étend de 2017 à 2022. Peu de temps après l'achèvement du nouvel anneau en janvier 2020, Des rayons X étaient à nouveau produits régulièrement.

"C'était incroyable qu'une fois le nouveau synchrotron opérationnel, nous avons récupéré le faisceau et la collecte des données en trois jours !", déclare Matthew Bowler, de l'équipe McCarthy de l'EMBL Grenoble, et l'un des scientifiques responsables de l'une des lignes de lumière JSBG.

Après un démarrage réussi de la mise en service, l'ESRF-EBS - et avec elle les lignes de lumière - a dû rester fermé une fois de plus en raison de la pandémie de COVID-19. Au cours des derniers mois, un accès exceptionnel n'a été accordé qu'à quelques utilisateurs avec des projets qui ont contribué à l'effort scientifique international sur la recherche sur COVID-19.

Avec l'ouverture aujourd'hui, les innovations apportées par le projet EBS sont enfin dévoilées à la communauté scientifique. Outre la construction d'un nouvel anneau de stockage, ils incluent un programme avancé de mise à niveau de l'instrumentation, et l'amélioration de toutes les lignes de biologie structurale du JSBG, notamment une mise à niveau significative de MASSIF-1.

Un plus grand niveau de science automatisée

MASSIF-1 est l'une des sept lignes exploitées conjointement par l'ESRF et l'EMBL Grenoble, et a été la première ligne de lumière automatisée au monde. Matthieu Bowler, et Didier Nurizzo de l'ESRF, expliquer les avantages de la procédure :« La ligne de lumière fonctionne 24 heures sur 24. Les chercheurs envoient leurs cristaux congelés par courrier, et les scientifiques de la ligne de lumière les chargent dans un système de stockage cryogénique de grande capacité. Les échantillons sont ensuite analysés par la ligne de lumière de manière entièrement automatique."

Ce processus implique un robot prenant le cristal du stockage dans le faisceau, puis des algorithmes complexes localisent l'échantillon et décident du protocole expérimental optimal. Une fois l'analyse commencée, les utilisateurs reçoivent un e-mail et peuvent voir leurs données collectées à distance et en temps réel.

"L'automatisation est fantastique, " conclut Bowler. " Il fera le même travail pour chaque échantillon, qu'il soit quatre heures de l'après-midi ou du matin."

Au cours de cette année, plusieurs mises à jour importantes sont mises en œuvre sur MASSIF-1. Par exemple, un microdiffractomètre développé par l'EMBL, un instrument capable de placer et de faire tourner un cristal dans le faisceau de rayons X avec une précision d'un millième de millimètre, vient d'être installé. A un stade ultérieur, l'optique qui focalise les rayons X sur le cristal sera adaptée au nouveau faisceau produit par l'EBS, qui est 100 fois plus lumineux que le faisceau précédent.

L'une des améliorations les plus importantes pour la ligne de lumière sera l'introduction du robot FlexHCD. Ce robot a été développé conjointement par l'équipe Ciprani, L'équipe Instrumentation de l'EMBL Grenoble, et la division des services et du développement de l'instrumentation de l'ESRF et les groupes de biologie structurelle. Ce nouveau dispositif de gestion des cristaux gelés augmentera considérablement la vitesse de collecte des données. "À l'heure actuelle, jusqu'à six minutes sont nécessaires par échantillon, " explique Nurizzo. " La mise à niveau va doubler ou tripler la vitesse de traitement. "

De nouvelles opportunités expérimentales

Avant que les cristaux puissent être analysés sur les lignes de lumière JSBG, ils doivent être générés dans une installation de cristallisation grâce à un processus de criblage et d'optimisation minutieux et parfois fastidieux, ce qui prend généralement beaucoup plus de temps que les expériences de diffraction elles-mêmes.

Une autre mise à niveau importante concerne le robot CrystalDirect, qui a été développé en 2012 par l'équipe Cipriani et l'équipe Marquez à l'EMBL Grenoble. Cette technologie permet une automatisation complète du montage du cristal et du cryo-refroidissement, faciliter le transfert des échantillons entre l'installation de cristallisation et le synchrotron.

Sous sa nouvelle forme, MASSIF-1 sera opéré en coordination avec le Laboratoire HTX de l'EMBL, qui apportera un nouveau niveau d'efficacité, en particulier dans les campagnes intensives de criblage de fragments pour la découverte de médicaments. De plus, courant 2021, l'un des robots CrystalDirect du laboratoire HTX sera intégré à l'environnement de la ligne de lumière MASSIF-1. Ce sera un grand pas en avant et permettra la livraison d'échantillons directement de la plaque de cristallisation dans le faisceau de rayons X. Tous ces développements maintiendront l'EMBL et l'ESRF à la pointe des innovations dans la technologie des lignes de lumière MX dans le monde au profit de la biologie structurelle.