Lorsque les scientifiques ont eu besoin de visualiser la structure de la protéine de pointe, que les coronavirus utilisent pour infiltrer les cellules humaines, ils se sont tournés vers la cryomicroscopie électronique. L'un des outils d'imagerie les plus puissants de l'arsenal d'un chercheur, La cryo-microscopie électronique (cryo-EM) permet de visualiser les protéines, pathogènes et divers composants cellulaires presque jusqu'à leurs atomes individuels.

Mais la préparation d'échantillons pour la cryo-EM est un processus fastidieux qui repose sur l'éthane, un puissant réfrigérant sous forme liquide, et un gaz inflammable à température ambiante sujet aux explosions.

Une nouvelle étude publiée le 7 septembre dans le Journal de l'Union internationale de cristallographie démontre que les échantillons cryo-EM peuvent être préparés avec un réfrigérant plus sûr et moins cher, l'azote liquide, et ces échantillons peuvent produire des images encore plus nettes que celles préparées avec de l'éthane. Les résultats bouleversent la sagesse conventionnelle remontant aux années 1980, et peut améliorer la sécurité et la qualité de la cryo-EM.

"L'éthane n'est pas un produit chimique de laboratoire standard. Il est dangereux, et son utilisation ajoute des complications supplémentaires, " a déclaré l'auteur principal Robert Thorne, professeur de physique au Collège des arts et des sciences et Weiss Presidential Fellow. "L'azote liquide est le liquide de refroidissement de choix."

Cryo-EM fonctionne en envoyant des électrons à travers des molécules qui sont gelées dans une feuille d'eau vitreuse, capturer plusieurs images floues des molécules dans la glace. Un logiciel sophistiqué peut souvent faire la moyenne de ces clips flous en une image 3D nette, mais pas systématiquement.

Une partie du flou provient de l'échantillon lui-même. Lorsque l'eau renfermant les molécules se refroidit trop lentement, il forme des cristaux de glace qui dégradent l'image. Les scientifiques contournent ce problème en utilisant de l'éthane pour refroidir l'eau si rapidement qu'elle se brise dans un verre, feuille sans cristal. Mais une congélation aussi rapide exerce une pression sur la feuille, qui repose sur une fine pellicule d'or. Lorsque le faisceau d'électrons frappe la feuille, le stress fait bouger les molécules, brouiller l'image finale dans un phénomène connu sous le nom de mouvement induit par faisceau.

"Nous avons deux facteurs opposés, " a déclaré Thorne. "Nous voulons refroidir les échantillons rapidement, pour empêcher la formation de cristaux de glace et pour capturer la structure biologique des molécules. Mais nous voulons aussi refroidir les échantillons aussi lentement que possible pour minimiser leur mouvement pendant l'imagerie."

L'éthane refroidit les échantillons très rapidement. Mais les chercheurs doivent utiliser de l'azote liquide pour convertir l'éthane gazeux en un liquide, puis plus d'azote liquide pour stocker les échantillons après leur congélation. "L'éthane est encombrant, c'est dangereux, et, finalement, les échantillons finissent de toute façon dans l'azote liquide, " a déclaré Thorne.

L'azote liquide se refroidit à des vitesses environ 50 fois plus lentes que celles de l'éthane, selon les rapports des 40 dernières années, et ce n'est pas assez rapide pour convertir l'eau en une feuille vitreuse. Mais en 2006, Le groupe de recherche de Thorne a découvert que le principal facteur de ralentissement de l'azote était le gaz froid planant au-dessus de la surface du liquide, qui refroidissait les petits échantillons avant même qu'ils n'atteignent le liquide.

la compagnie de Thorne, MiTeGen, a finalement développé un instrument de refroidissement automatisé pour la cristallographie aux rayons X - une autre méthode utilisée pour imager les molécules de protéines - qui élimine le gaz froid juste avant qu'un échantillon ne soit plongé dans l'azote, et a constaté que les vitesses de refroidissement augmentaient à peine six fois plus lentement que celles de l'éthane. Le personnel de MiTeGen a ensuite adapté son instrument de refroidissement pour les échantillons cryo-EM et a collaboré avec le personnel du Cornell Center for Materials Research et l'associé postdoctoral Jonathan Clinger pour collecter et analyser les données cryo-EM.

Comme le rapporte la nouvelle étude, l'azote se refroidit à la vitesse parfaite pour la préparation d'échantillons cryo-EM, suffisamment rapide pour éviter la formation de cristaux de glace importants, mais suffisamment lent pour réduire le mouvement induit par le faisceau plus tard.

"Ethane est exagéré, " Thorne a déclaré. "Pour la vitesse, vous n'avez pas besoin, vous obtenez des images floues avec un mouvement induit par le faisceau, et c'est plus problématique que tous les cristaux de glace qui se forment à partir d'un refroidissement légèrement plus lent."

Et le refroidissement tout liquide à l'azote, Thorne a dit, simplifiera les flux de travail cryo-EM, en supprimant les étapes supplémentaires exigées par l'éthane et en facilitant la conception d'instruments de refroidissement automatisés conformes aux normes de sécurité en vigueur en laboratoire.

« C'est une belle illustration de la façon dont la science universitaire de base, qui examine comment les petits objets refroidissent et comment la glace se forme à l'intérieur d'eux, peut conduire à des solutions pratiques et à des produits commerciaux. »