Même prisonnières d'un cristal, les molécules bougent encore
Publié par Redbran le 07/10/2015 à 12:00
Source: CNRS
La cristallographie aux rayons X permet de connaître la structure tridimensionnelle d'une molécule, donc de comprendre son fonctionnement et potentiellement d'exploiter ces connaissances pour, par la suite, moduler son activité, notamment en vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) d'un usage (L’usage est l'action de se servir de quelque chose.) thérapeutique (La thérapeutique (du grec therapeuein, soigner) est la partie de la médecine qui étudie et applique le traitement des maladies.) ou biotechnologique. Pour la première fois, une étude a démontré que des mouvements résiduels continuent d'animer les protéines au sein d'un cristal (Cristal est un terme usuel pour désigner un solide aux formes régulières, bien que cet usage diffère quelque peu de la définition scientifique de ce mot. Selon l'Union internationale de cristallographie, tout solide...) et que ce mouvement "floute" les structures obtenues par cristallographie. Elle souligne que plus ces mouvements résiduels sont amortis, meilleur est l'ordre cristallin: c'est ainsi que les cristaux plus compacts de molécules permettent généralement d'obtenir des structures de meilleure qualité. Ces travaux combinent la cristallographie, la résonnance magnétique nucléaire (Le terme d'énergie nucléaire recouvre deux sens selon le contexte :) (RMN) et des simulations. Ils sont le fruit (En botanique, le fruit est l'organe végétal protégeant la graine. Caractéristique des Angiospermes, il succède à la fleur par transformation du pistil. La paroi de l'ovaire forme le péricarpe du...) d'une collaboration internationale impliquant des chercheurs de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un tel institut.) de 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...) structurale (IBS, CEA/CNRS/Université Joseph Fourier) à Grenoble. Ces résultats sont publiés sur le site de Nature Communications le 5 octobre 2015.


Figure: Observation d'un cristal de protéines, typiquement utilisé pour étudier la structure de cette molécule (Une molécule est un assemblage chimique électriquement neutre d'au moins deux atomes, qui peut exister à l'état libre, et qui représente la...) par cristallographie. A gauche: visualisation à l'œil nu ; au centre: modélisation de l'agencement des protéines en réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un « petit rets », c'est-à-dire un petit filet), on appelle nœud (node) l'extrémité...) cristallin ; à droite: représentation schématique du mouvement d'une protéine (Une protéine est une macromolécule biologique composée par une ou plusieurs chaîne(s) d'acides aminés liés entre eux par des liaisons...) de quelques degrés au sein du cristal, tel qu'il est observé par spectroscopie RMN et simulation de dynamique moléculaire (Une simulation de dynamique moléculaire consiste à calculer l'évolution d'un système de particules au cours du temps. Ces simulations servent de modèles structuraux et dynamiques pour...). À cause de ces mouvements la structure de la protéine que l'on peut obtenir par cristallographie devient "floue".
Illustration: © Paul Schanda / CEA

La cristallographie aux rayons X est la méthode la plus prolifique pour la détermination de structures de protéines. La qualité d'une structure cristallographique dépend du "degré (Le mot degré a plusieurs significations, il est notamment employé dans les domaines suivants :) d'ordre" dans le cristal. Les protéines mesurent en général quelques nanomètres. Plusieurs milliers de milliards de protéines doivent s'agencer parfaitement, et en trois dimensions (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...), pour constituer un réseau cristallin bien ordonné. Cette étape est nécessaire pour permettre le succès d'une détermination structurale. Parfois, des cristaux pourtant macroscopiquement parfaits déçoivent une fois irradiés par les rayons X, frustrant ainsi la caractérisation structurale. Il a été proposé que des mouvements d'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut...) des protéines cristallisées puissent expliquer ce paradoxe (Un paradoxe est une proposition qui contient ou semble contenir une contradiction logique, ou un raisonnement qui, bien que sans faille apparente, aboutit à une absurdité, ou encore, une situation qui...). Mais cette supposée dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :) résiduelle lente (La Lente est une rivière de la Toscane.) n'a jamais été directement observée dans un cristal.

Les chercheurs de l'IBS ont utilisé une approche multi-technique, combinant la spectroscopie par RMN à l'état solide, les simulations de dynamique moléculaire, et la cristallographie aux rayons X. Grâce à la RMN du solide, ils ont mesuré la dynamique d'une protéine modèle, l'ubiquitine, dans trois de ses formes cristallines. Leurs résultats indiquent que même cristallisées, les protéines restent animées de légers mouvements résiduels. Ces mouvements sont d'autant moins amortis que le cristal est moins compact.

En concordance, 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,...) cristallographiques collectées sur les trois types de cristaux indiquent que plus le cristal est compact, et mieux il diffracte – et donc mieux on peut déterminer la structure des protéines qui le compose. Pour reconstituer le mouvement des protéines dans ces réseaux cristallins, des simulations de dynamique moléculaire ont été réalisées pour chacune des trois formes cristallines. Ces simulations suggèrent qu'au sein des cristaux, les protéines tournent sur elles-mêmes de quelques degrés, à l'échelle de la microseconde. En accord avec les mesures de RMN, ces "balancements" sont d'autant plus marqués que le cristal est peu compact.

Cette étude contribue à mieux comprendre l'impact des mouvements moléculaires lents sur la qualité des structures cristallographiques, mais aussi plus généralement la dynamique des molécules à l'échelle atomique. Elle explique par ailleurs en partie pourquoi certains cristaux, quoique macroscopiquement "beaux", se révèlent vides d'information une fois étudiés par cristallographie.

Références: "Observing the overall rocking motion of a protein in a crystal”, Peixiang Ma et. al., Nature Communications, Octobre, DOI: 10.1038/NCOMMS9361
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