ISOLDE explore l'ADN au CERN
Publié par Adrien le 27/06/2018 à 00:00
Source: Ana Lopes - Copyright CERN
Les installations du CERN ne se limitent pas exclusivement à la physique des particules. C'est ainsi que des scientifiques travaillant auprès de l'installation de physique nucléaire ISOLDE s'intéressent maintenant aux molécules d'ADN. Ils ont appliqué à ces molécules une variante ultrasensible de la spectroscopie par résonance magnétique nucléaire (La résonance magnétique nucléaire est une technique de spectroscopie appliquée aux particules ou ensembles de particules atomiques qui ont un spin nucléaire non nul.) (RMN), appelée  RMN bêta, tant dans des environnements solides que dans des environnements liquides semblables à celui des cellules. La RMN  bêta est largement utilisée pour étudier des noyaux exotiques et des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) solides, mais c'est la première fois qu'elle est appliquée à des matériaux biologiques.


Magdalena Kowalska, chercheuse à ISOLDE, dirige l'étude des molécules d'ADN au moyen d'isotopes. (Image: Sophia Bennett/CERN)

Les données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.), enregistrées en mai, montrent que le 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 employés depuis la nuit des temps par les...) RMN produit par un isotope (Le noyau d'un atome est constitué en première approche de protons et de neutrons. En physique nucléaire, deux atomes sont dits isotopes s'ils ont le même nombre de protons. Le nombre de protons dans le noyau d'un atome est désigné...) du sodium (Le sodium est un élément chimique, de symbole Na et de numéro atomique 11. C'est un métal mou et argenté, qui appartient aux métaux alcalins. On ne le trouve pas à...) se modifie et disparaît beaucoup plus lentement en présence de molécules d'ADN, ce qui met évidence une interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en contact de sujets.) entre entre cet élément vital et l'ADN. De futurs (Futurs est une collection de science-fiction des Éditions de l'Aurore.) travaux devraient permettre de mieux comprendre cette interaction et de révéler le site de fixation du sodium dans l'ADN.

La spectroscopie RMN est une technique incontournable pour visualiser la structure de molécules biologiques, telles que les protéines et l'ADN, ainsi que leur interaction avec des ions métalliques essentiels comme le sodium ou le potassium (Le potassium est un élément chimique, de symbole K (latin : kalium, de l’arabe : القَلْيَه al-qalyah)...). Il s'agit d'exposer à un fort champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux magnétique) est une grandeur caractérisée par la donnée d'une intensité et d'une direction,...) quelques microgrammes d'un échantillon (De manière générale, un échantillon est une petite quantité d'une matière, d'information, ou d'une solution. Le mot est utilisé dans différents domaines :) de molécules biologiques et d'analyser comment les noyaux magnétiques présents dans l'échantillon absorbent les ondes (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière.) radio. Sous l'action du champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) magnétique, les spins des noyaux s'alignent, soit de façon parallèle, soit de façon antiparallèle, sur le champ magnétique, et, sous l'effet des ondes radio, les spins changent de direction. La fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit par unité de temps. Ainsi...) radio qui déclenche ce changement dépend de la force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale » équivalent au courage (cf. les articles...) du champ magnétique ainsi que de l'identité et de l'environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les enjeux...) des noyaux. Le renversement de spin (Le spin est une propriété quantique intrinsèque associée à chaque particule, qui est caractéristique de la nature de la particule, au même titre que sa masse et sa charge électrique. Comme la majorité...), ou signal RMN, est détecté au moyen du courant électrique (Un courant électrique est un déplacement d'ensemble de porteurs de charge électrique, généralement des électrons, au sein d'un matériau conducteur....) induit (L'induit est un organe généralement électromagnétique utilisé en électrotechnique chargé de recevoir l'induction de l'inducteur et de la transformer en électricité...) dans une bobine radiofréquence.

Toutefois, cette technique est relativement peu sensible ; pour qu'un signal RMN utile soit produit, il faut un grand nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de noyaux magnétiques. En revanche, la spectroscopie de RMN bêta est sensible même avec un nombre beaucoup moins élevé de noyaux magnétiques dans l'échantillon. Dans cette variante de la résonnance magnétique nucléaire (Le terme d'énergie nucléaire recouvre deux sens selon le contexte :), qui est jusqu'à un milliard (Un milliard (1 000 000 000) est l'entier naturel qui suit neuf cent quatre-vingt-dix-neuf millions neuf cent quatre-vingt-dix-neuf mille neuf cent quatre-vingt-dix-neuf (999 999 999) et précède un milliard un...) de fois plus sensible que la technique classique, les noyaux magnétiques peuvent être orientés précisément au moyen d'un rayon laser ; le signal RMN est détecté lorsque des particules bêta (électrons ou positons) sont émises par les noyaux magnétiques à durée de vie (La vie est le nom donné :) courte implantés dans l'échantillon.

Pour son étude, l'équipe de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche scientifique...) d'ISOLDE, dirigée par Magdalena Kowalska, a extrait des ions sodium à durée de vie courte produits par l'installation ISOLDE, les a placés dans des échantillons contenant des molécules d'ADN – en milieu solide, et également en milieu liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.) comparable à celui d'une cellule – puis a appliqué la technique RMN bêta. Elle a analysé des structures G-quadruplex d'ADN, variantes de la structure à double hélice (Hélice est issu d'un mot grec helix signifiant « spirale ». Un objet en forme d'hélice est dit hélicoïdal.) bien connue.

L'équipe a constaté que le signal RMN émis par le sodium disparaît beaucoup plus lentement, soit sur un intervalle de temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) de l'ordre 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 une unité de mesure du temps. La seconde d'arc est une mesure d'angle...), lorsque des structures G-quadruplex d'ADN sont présentes dans les échantillons. Cela concorde (Le Concorde est un avion de transport supersonique construit par l’association de Sud-Aviation (devenue par la suite l’Aérospatiale après sa fusion avec...) avec les études utilisant la résonnance magnétique nucléaire classique réalisées sur d'autres structures d'ADN, qui donnent les mêmes résultats lorsque du sodium " libre " s'approche des molécules d'ADN. De futurs travaux consistant à analyser finement les spectres RMN en les confrontant à des analyses chimiques devraient permettre de déterminer la position du sodium dans les échantillons d'ADN.

À plus long terme, l'équipe espère également étudier d'autres isotopes, tels que le cuivre (Le cuivre est un élément chimique de symbole Cu et de numéro atomique 29. Le cuivre pur est plutôt mou, malléable, et présente sur ses surfaces...) ou le zinc (Le zinc (prononciation /zɛ̃k/ ou /zɛ̃ɡ/) est un élément chimique, de symbole Zn et de numéro atomique 30.), qui, pour des raisons encore mal élucidées, tendent à se retrouver, en grandes quantités pour le cuivre et en petites quantités pour le zinc, dans le cerveau (Le cerveau est le principal organe du système nerveux central des animaux. Le cerveau traite les informations en provenance des sens, contrôle de nombreuses fonctions du corps, dont la motricité volontaire, et...) de patients souffrant de la maladie (La maladie est une altération des fonctions ou de la santé d'un organisme vivant, animal ou végétal.) d'Alzheimer ou de Parkinson.
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