Les scientifiques utilisent la cristallographie en série pour améliorer les «films moléculaires» et faire la lumière sur la résistance aux antibiotiques

Les photos électrisantes d’Eadweard Muybridge d’un cheval au galop ont mis le feu au monde lorsqu’il a créé le précurseur de ce qui est devenu le cinéma. Pour les scientifiques d’aujourd’hui, une nouvelle mise à niveau de l’une des sources de lumière à rayons X durs les plus puissantes au monde pourrait améliorer la façon dont les films moléculaires sont réalisés. Ceux-ci pourraient révéler les secrets cachés de différents produits chimiques, ouvrant potentiellement la voie à de nouveaux traitements et produits pharmaceutiques.

Les scientifiques utilisent généralement différentes formes d’une technique appelée cristallographie pour reconstruire la structure moléculaire des protéines. Des chercheurs du laboratoire national d’Argonne du Département américain de l’énergie (DOE) ont maintenant utilisé et développé une nouvelle méthode appelée cristallographie en série, développée précédemment dans des installations laser à rayons X à électrons libres. Un article basé sur l’étude est paru Communication Nature.

La combinaison de la cristallographie en série avec des observations sur de courtes échelles de temps (du dixième au centième de seconde) permet aux scientifiques de détecter en temps réel les changements de forme des protéines et des molécules liées au cours des réactions chimiques. La technique offre un avantage unique par rapport aux formes précédentes de cristallographie, car les cristaux individuels peuvent être plus petits et ils n’ont besoin d’être éclairés avec des faisceaux de rayons X qu’une seule fois et pendant une courte période de temps.

La prochaine mise à niveau de l’Advanced Photon Source (APS) d’Argonne, une installation utilisateur du DOE Office of Science à Argonne, créera des faisceaux de rayons X jusqu’à 500 fois plus brillants que ceux actuellement générés dans l’installation. Cela permettra à la cristallographie en série d’être plus largement disponible à l’APS, a déclaré Andrzej Joachimiak, éminent collègue d’Argonne, qui est également directeur du Centre de biologie structurale (SBC) de l’APS et professeur à l’Université de Chicago.

“La cristallographie en série n’en est vraiment qu’à ses balbutiements et a été en grande partie du ressort d’installations spécialisées avec des lasers à électrons libres”, a déclaré Joachimiak. “Avec la mise à niveau APS, nous aurons la capacité d’étudier toutes sortes de réactions au fur et à mesure qu’elles se produisent, en particulier pour les systèmes biologiques.”

Dans une expérience récente en collaboration avec des chercheurs de l’Université de Chicago, Joachimiak a utilisé la cristallographie en série pour examiner la réaction d’un antibiotique et d’une enzyme isolée d’un agent pathogène résistant aux médicaments. Le résultat pourrait aider les chercheurs à mieux comprendre les mécanismes moléculaires qui permettent à certaines bactéries d’acquérir une résistance aux antibiotiques.

L’équipe de recherche a utilisé le SBC à la ligne de lumière 19-ID et les capacités spécialisées de la ligne de lumière BioCARS à 14-ID, gérée par l’Université de Chicago. Selon Vukica Srajer, scientifique de la ligne de lumière de recherche BioCARS et co-auteur de l’article, la ligne de lumière est l’une des rares au monde à pouvoir effectuer une cristallographie en série sur des échelles de temps incroyablement courtes. Les chercheurs ont utilisé BioCARS pour effectuer une cristallographie en série résolue dans le temps.

En effectuant une analyse aux rayons X d’une puce en plastique contenant une suspension de milliers de microcristaux de protéines individuels, Joachimiak et ses collègues ont pu reconstruire rapidement et avec précision plusieurs structures protéiques. Les chercheurs ont utilisé une technique “pompe-sonde” dans laquelle ils ont projeté une lumière ultraviolette sur l’échantillon pour initier une réaction. Ils ont ensuite utilisé le faisceau de rayons X pour observer le résultat à différents moments.

“Les tentatives précédentes de faire ce type de cristallographie détruiraient les cristaux avant que nous puissions obtenir les données complètes”, a déclaré Joachimiak. “Parce que nous ne faisons briller les faisceaux de rayons X sur chaque cristal particulier que pendant une très courte période de temps, nous pouvons obtenir plus de 40 000 images à partir d’une seule puce. Cela accélère considérablement nos efforts de cristallographie et nous donne la capacité de voir dans les protéines. des mécanismes sur plusieurs échelles de temps que nous n’avions jamais pu résoudre auparavant.”

L’avantage de la cristallographie en série, selon Joachimiak, est qu’elle permet aux scientifiques d’observer les changements dans la structure de la protéine au fur et à mesure qu’ils se produisent. Dans le cas d’une enzyme, cela donne également aux scientifiques la possibilité d’examiner comment le site actif de l’enzyme interagit avec une autre molécule ou substrat.

Dans l’étude, Joachimiak et ses collègues ont examiné un complexe protéine-enzyme appelé bêta-lactamase, qui confère à certains agents pathogènes une résistance aux antibiotiques. Avec la cristallographie en série, les chercheurs ont pu remarquer une accumulation d’atomes de zinc qui a déclenché l’enzyme pour percer la molécule antibiotique.

“C’est comme si vous essayiez d’ouvrir un bocal avec un couvercle coincé”, a déclaré Joachimiak. “Vous continuez à vous tordre et à vous tordre et il ne bouge pas au départ, jusqu’à ce qu’il cède soudainement.”

Selon Joachimiak, une molécule d’eau est activée par des ions de zinc pour rompre la liaison de l’antibiotique. “La cristallographie en série nous montre exactement quand le zinc déclenche la réaction”, a-t-il déclaré. “Vous pouvez le voir se produire en temps réel.”

Mateusz Wilamowski, chercheur à l’Université Jagellonian en Pologne et ancien chercheur postdoctoral à l’Université de Chicago, qui a également aidé à effectuer la recherche, a déclaré que la capacité à résoudre la dynamique de cette classe particulière de molécules pourrait avoir des implications de grande envergure. “Il existe de nombreuses autres protéines comme celle-ci qui reposent sur des mécanismes similaires”, a-t-il déclaré. “Personne n’a pu étudier les transitions intermédiaires de la molécule que nous avons pu visualiser.”

La cristallographie régulière des protéines ne permet pas la création de ces films moléculaires car les scientifiques ne peuvent collecter qu’une poignée d’images avant de détruire le cristal, a expliqué Joachimiak. “C’est vraiment une technique révolutionnaire qui aura un impact énorme sur la façon dont nous pouvons observer et finalement concevoir de meilleurs médicaments”, a-t-il déclaré.

Wilamowski pense également que les résultats contribueront à la conception intelligente de médicaments, car les recherches futures pourraient associer la mise à niveau APS à des calculs de mécanique quantique pour améliorer les molécules déjà existantes.