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Posté par Michel le Mercredi 11/03/2009 à 00:00
Une seconde pour sonder des nanomachines moléculaires au niveau atomique
Des chercheurs de l’Institut de biologie structurale Jean-Pierre Ebel (IBS, Institut mixte CEA-CNRS-Université Joseph Fourier, Grenoble) viennent de développer une nouvelle technique, basée sur la Résonance magnétique nucléaire (RMN), permettant de réduire considérablement le temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) nécessaire pour sonder, au niveau atomique, des assemblages biomoléculaires de grandes tailles. Les temps d’analyse passent ainsi de plusieurs minutes ( Forme première d'un document : Droit : une minute est l'original d'un acte. Cartographie géologique ; la...) à près d’une seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La seconde est...) ce qui ouvre un nouveau champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques....) dans l’étude structurale de ces assemblages.

Elles devraient permettre d’observer en temps réel les changements structuraux et dynamiques au sein (Le sein (du latin sinus, « courbure, sinuosité, pli ») ou la poitrine dans son ensemble, constitue la région ventrale supérieure du torse d'un animal, et en particulier celle des mammifères...) de nanomachines (1) moléculaires lorsqu’elles exercent leur action. Ces résultats viennent d’être publiés en ligne par la revue Journal of the American Chemical Society.

L’étude fonctionnelle (En mathématiques, le terme fonctionnelle se réfère à certaines fonctions. Initialement, le terme désignait les fonctions qui en...) et structurale des nanomachines biologiques est une tâche difficile compte tenu de la dimension (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa profondeur/son épaisseur, ou bien son diamètre si c'est une pièce de...) des objets étudiés, de leur flexibilité et de la complexité des substrats manipulés (protéines, peptides, ADN, ARN…). Elle nécessite la combinaison (Une combinaison peut être :) de la cristallographie aux rayons X et de méthodes à « basse » résolution telles que la microscopie (La microscopie est l'observation d'un échantillon (placé dans une préparation microscopique plane de faible épaisseur) à travers le microscope. La microscopie permet de rendre visible des éléments...) électronique. Ces méthodes permettent difficilement d’obtenir des informations cinétiques pourtant nécessaires pour comprendre la dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :) fonctionnelle d’un système.


A gauche: Structure quaternaire de la peptidase TET, une machine moléculaire en charge
de la digestion (La digestion est le processus au cours duquel un organisme vivant reçoit du milieu extérieur des aliments (eau, molécules organiques et minéraux), les modifie afin de les transformer en nutriments et...) et du recyclage (Le recyclage est un procédé de traitement des déchets industriels et des déchets ménagers qui permet de réintroduire, dans le cycle de production d'un produit, des matériaux qui le...) des peptides dans les archébactéries.
Cet assemblage de 468 kDa (kilo dalton) est constitué de 12 sous unités identiques de 39 kDa.
Au centre: structure tertiaire de la sous-unité de TET (39 kDa). Les méthyles des alanines
sont représentés par des sphères rouges.
A droite: spectres RMN 2D de TET obtenus après marquage isotopique spécifique
des methyls des alanines. Le temps nécessaire pour enregistrer chaque spectre
est de l’ordre de la seconde. Chaque signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes particulières. Les signaux lumineux sont...) dans les spectres RMN 2D correspond
à un méthyle de la peptidase TET.

La spectroscopie RMN (2) est la méthode de choix pour étudier, avec une résolution atomique, les propriétés structurales et dynamiques des macromolécules biologiques en solution. Récemment, le développement de techniques de marquages isotopiques spécifiques (3) a permis de repousser les frontières de cette méthode à l’analyse des assemblages biomoléculaires pouvant atteindre 1 méga Dalton (4). L’utilisation de spectromètres RMN opérant à des champs magnétiques élevés a, de son côté, amélioré la résolution des observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir...). Cependant l’étude cinétique des modifications au sein de ces assemblages restait limitée par les temps de mesure (plusieurs minutes voire plusieurs heures) nécessaires pour repérer chaque groupe d’atomes par leurs signaux RMN spécifiques. Une autre technique nouvellement mise au point (Graphie), la RMN rapide (5), permet d’accélérer l’enregistrement des spectres RMN.

Pour la première fois, les chercheurs de l’IBS ont réussi à combiner ces trois techniques, et ainsi, à réduire à près d’une seconde le temps expérimental requis pour sonder par RMN des assemblages biomoléculaires de plusieurs centaines de kilo Dalton.

Cette nouvelle approche devrait permettre d’ouvrir l’accès à des informations cinétiques sur les mécanismes de repliement ou d’auto-organisation (L'auto-organisation est un phénomène de mise en ordre croissant, et allant en sens inverse de l'augmentation de l'entropie; au prix bien entendu d'une...) de ces assemblages biomoléculaires. De plus, elle constitue une avancée importante pour observer en temps réel le fonctionnement des nanomachines biologiques telles que les chaperonnes, protéasomes, peptidases ou moteurs moléculaires (6).

Notes:

(1) Nanomachines: machines à l'échelle nanométrique (10-9 m), composées de plusieurs molécules. Ce sont des dispositifs à l'échelle moléculaire capables de manipuler les atomes et les molécules.

(2) La Résonance Magnétique Nucléaire: phénomène par lequel un noyau de l'atome (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner...) considéré absorbe les rayonnements électromagnétiques d'une fréquence spécifique en présence d'un fort champ magnétique. Ses applications concernent la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens...), la chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à l'instar de la physique et de la biologie avec lesquelles elle...), l’imagerie (L’imagerie consiste d'abord en la fabrication et le commerce des images physiques qui représentent des êtres ou des choses. La fabrication se faisait jadis soit...) médicale et la biologie (La biologie, appelée couramment la « bio », est la science du vivant. Prise au sens large de science du vivant, elle recouvre une partie des sciences naturelles et de l'histoire naturelle des...) structurale. L’IBS est labellisé plateforme nationale et européenne d’accueil pour la RMN très haut champ.

(3) RMN avec marquage isotopique spécifique: pour observer par RMN de gros assemblages, il est nécessaire de substituer 100 % de l’atome (Un atome (grec ancien ἄτομος [atomos], « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec...) naturel d’hydrogène par du deutérium et de réinsérer spécifiquement en quelques sites déterminés (exemple méthyles des alanines) l’atome naturel d’hydrogène, observable (Dans le formalisme de la mécanique quantique, une opération de mesure (c'est-à-dire obtenir la valeur ou un intervalle de valeurs d'un paramètre...) par RMN.

(4) Un Dalton: c’est, avec une assez bonne précision, la masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à la force de...) d'un atome d'hydrogène. Un acide (Un acide est un composé chimique généralement défini par ses réactions avec un autre type de composé chimique complémentaire, les bases.) aminé de protéine représente environ 110 Da, un assemblage de 1 méga Dalton contient environ 9000 acides aminés.

(5) La RMN rapide: une nouvelle technique de RMN (appelée « SOFAST ») permettant d’enregistrer un spectre 2D en quelques secondes, développée à l’IBS.

(6) Moteur (Un moteur est un dispositif transformant une énergie non-mécanique (éolienne, chimique, électrique, thermique par exemple) en une énergie mécanique ou travail.[réf. nécessaire]) Moléculaire: d’une manière générale, un moteur (Un moteur (du latin mōtor : « celui qui remue ») est un dispositif qui déplace de la matière en apportant de la...) moléculaire consomme de l'énergie (exemple hydrolyse d'ATP) pour effectuer un mouvement ou un travail. Dans les cellules, les moteurs moléculaires sont des machines biomoléculaires essentielles pour la mobilité (contraction musculaire, flagelle (Le flagelle est génériquement un organite assurant la mobilité d'une cellule. Les procaryotes et les eucaryotes ont développé ce type d'organelle sur des...)...) et le transport (Le transport est le fait de porter quelque chose, ou quelqu'un, d'un lieu à un autre, le plus souvent en utilisant des véhicules et des voies...) (chromosomes, neurotransmetteurs, passage des membranes...).


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Source: CEA
Illustration: CEA & Journal of the American Chemical Society. (February 25th 2009). http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ja809880p
 
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