“La fréquence à laquelle les protéines se rencontrent est très importante”

Les protéines jouent un rôle important dans nos vies : elles remplissent diverses fonctions, notamment la catalyse des réactions métaboliques, la structuration des cellules et des organismes et le transport de molécules. Mais certaines maladies – comme la maladie d’Alzheimer ou la maladie de Parkinson – sont également causées par les protéines. Pour mieux comprendre le comportement des protéines dans les environnements biologiques, les chercheurs ont désormais utilisé les rayons X pour étudier ce qui se passe lorsque les jaunes d’œufs sont cuits. Dans une interview, Christian Gutt de l’Université de Siegen explique à quelles autres questions ils aimeraient répondre à l’aide de cette méthode à l’avenir.

Monde de la physique : Comment en êtes-vous venue à étudier les jaunes d’œufs ?

Christian Gutt : Nous voulons comprendre comment les protéines se déplacent dans des solutions à haute densité, c’est-à-dire dans des environnements très riches en protéines. De telles solutions à haute densité se retrouvent souvent en biologie, par exemple dans les cellules de notre corps ou dans les aliments. Dans notre projet, nous étudions comment les protéines se déplacent dans de telles solutions. Les œufs de poule constituent pour cela un système modèle idéal : ils contiennent beaucoup de protéines, sont faciles à obtenir, peu coûteux et faciles à manipuler. Il y a quelques années, nous avons examiné les protéines de poulet et maintenant le jaune d’œuf – qui s’est avéré plus intéressant car il possède une structure interne particulière.

De quoi est fait le jaune des œufs de poule ?

D’une part, il est constitué de nombreuses protéines différentes et, d’autre part, de petites particules sphériques de protéines grasses que nous appelons LDL et qui, entre autres, transportent le cholestérol. Ces LDL ont un diamètre de 20 à 30 nanomètres. Le jaune d’œuf contient également des particules d’une taille comprise entre 800 nanomètres et un micromètre, appelées granules. Lorsque vous faites cuire l’œuf, toute la structure change : les protéines qui sont normalement repliées et ouvertes se dénaturent. Ils se comportent alors comme du ruban adhésif double face et se collent à tout ce qui les entoure, formant des agrégats. Ensuite, les globules graisseux fusionnent entre eux, et enfin les gros granules. C’est pourquoi le jaune d’œuf devient si granuleux si vous le faites cuire longtemps.

Qu’est-ce qui vous intéresse dans ce changement structurel ?

Bien sûr, la façon dont les protéines se déplacent et forment des microstructures est passionnante en soi. Cependant, chez l’homme, certaines maladies sont également liées à la dénaturation ou à l’agrégation de protéines. L’un des mécanismes évoqués dans la maladie d’Alzheimer, par exemple, est que les protéines forment d’abord des chaînes, puis forment des faisceaux plus grands, qui provoquent ensuite la mort des cellules nerveuses. La fréquence à laquelle les protéines se rencontrent pour pouvoir former de tels agrégats est une question importante. C’est pourquoi nous nous intéressons tant à la dynamique des protéines.

Comment avez-vous étudié la dynamique des protéines dans les jaunes d’œufs ?

Nous avons prélevé le jaune d’œuf avec une seringue et l’avons versé dans de fins tubes. Nous les avons ensuite placés dans un bain-marie, les avons chauffés et avons observé le processus de manière résolue dans le temps à l’aide de rayons X. Pour ces expériences, nous avons eu plusieurs temps de mesure à la source synchrotron PETRA III du centre de recherche DESY à Hambourg.

Et comment avez-vous exactement examiné le jaune d’œuf aux rayons X ?

Expérience avec la source de lumière à rayons X PETRA III

Si vous envoyez une lumière à rayons X cohérente, c’est-à-dire semblable à un laser, sur un échantillon, la lumière à rayons X est diffractée par les composants de l’échantillon. Et nous pouvons observer cette lumière de rayons X diffractée. Si l’échantillon est désordonné, le résultat sera par exemple une image diffuse avec de nombreux points. Dans notre cas, les gros agrégats ont tendance à dévier la lumière selon un petit angle. Et sur les petites molécules de graisse et les protéines, elle est dispersée selon des angles plus grands, créant des taches plus loin sur l’image de la caméra. Lorsque l’échantillon change, ces points commencent également à bouger. Ce mouvement en dit long sur la dynamique des composantes de l’échantillon. En prenant une image toutes les 100 microsecondes, nous obtenons un film complexe que nous analysons en profondeur et apprenons quelque chose sur les processus dans le jaune d’œuf.

Qu’avez-vous découvert sur ces processus ?

Ce que nous avons vu, c’est que quelle que soit la température à laquelle vous faites cuire le jaune d’œuf, les processus qui se déroulent sont fondamentalement toujours les mêmes. Ils expirent simplement à des vitesses différentes selon que j’ai une température basse ou élevée. Dans le langage de la physique, nous disons : Le comportement des composants très différents et complexes du jaune d’œuf obéit à des lois d’échelle simples. C’est une grande chose : si même des systèmes complexes peuvent être décrits à certains égards à l’aide de modèles simples, cela nous donne alors un outil puissant pour mieux comprendre la nature. Cela nous permet même d’extrapoler nos résultats à des plages de températures que nous n’avons même pas examinées, comme la température corporelle. Ce fut une découverte surprenante et gratifiante. Nous avons également établi ce que l’on appelle un diagramme de phases. Cela nous permet d’examiner de près les processus qui se déroulent dans le jaune d’œuf – en fonction du temps et de la température – pendant la cuisson. Cela n’est pas encore arrivé. Il faut cependant être prudent lors du transfert en cuisine : nous n’avons regardé que les jaunes d’œufs dans un tube fin. Le comportement d’un véritable œuf est un peu plus compliqué.

Et que souhaites-tu explorer ensuite ?

Après avoir publié nos résultats, les chercheurs ont demandé si nous pouvions également utiliser notre méthode pour examiner des échantillons biologiques plus complexes, notamment les protéines qui jouent un rôle dans le coronavirus ou la maladie d’Alzheimer. Cela m’a rendu très heureux et c’est certainement quelque chose que nous souhaitons envisager à l’avenir. Une autre chose que je trouve passionnante, ce sont les anticorps monoclonaux – des médicaments modernes composés uniquement de protéines. Il faut l’imaginer comme une solution à haute densité, comme le miel, pour ainsi dire. Puisque ces médicaments sont encore très difficiles à injecter, la question se pose de savoir pourquoi ces solutions de protéines à haute densité sont si visqueuses ? Et d’autre part : peut-on trouver des méthodes pour rendre les médicaments moins visqueux ? L’industrie pharmaceutique s’y intéresse beaucoup.

Y a-t-il quelque chose dans votre méthode que vous aimeriez développer davantage à l’avenir ?

Oui, nous souhaitons par exemple étudier plus en détail l’interaction entre les rayons X et les protéines. Les rayons X endommagent les protéines, et nous devons maîtriser cela car cela affecte le processus lui-même. Pour ce faire, nous devons comprendre quand une dynamique est déclenchée artificiellement avec les rayons X, pour ainsi dire, et quand la dynamique dans l’échantillon est réellement observée. Nous avons besoin de plus d’expériences. Le deuxième défi est la quantité de données. Parce que si on enregistre beaucoup de ces films, on a beaucoup de données. À l’avenir, nous souhaitons utiliser l’apprentissage automatique pour obtenir des informations sur le succès de l’expérience lors de la mesure.