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Une protéine surprise à son réveil : c'est une première !

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Grâce à un dispositif de spectroscopie RMN, des scientifiques ont observé pour la première fois le « réveil » d'une protéine, c'est-à-dire son passage progressif d'un état inerte à un état fonctionnel. Un moment unique pour mieux comprendre ces molécules complexes et cruciales.

Les protéines aussi se réveillent pour devenir fonctionnelles. En les regardant à ce moment particulier, on peut mesurer les énergies d'activation des différentes parties de ces grandes molécules. © Alan Cleaver, flickr, cc by 2.0

De nombreux médicaments ciblent des protéines. Comprendre la dynamique d'une protéine et la façon dont elle se lie à ses partenaires est donc essentiel pour développer de nouvelles molécules thérapeutiques efficaces. Or, la complexité de la vie de beaucoup de protéines, et notamment leur plasticité, avec une structure toujours changeante et dépendante des paramètres extérieurs (partenaires, température, etc.), rend leur étude particulièrement difficile. En outre, cette dynamique est essentielle pour que la protéine puisse interagir avec ses molécules partenaires et ainsi fonctionner. Une équipe de l'IBS (CEA/CNRS/Université Joseph-Fourier), en collaboration avec l'EPFL et l'ENS de Lyon, a mis au point une méthode inédite pour étudier la dynamique de ces molécules biologiques très agitées. « L'idée consiste à "endormir" profondément une protéine et à la regarder se réveiller petit à petit jusqu'à devenir fonctionnelle », raconte Martin Blackledge, responsable du groupe Flexibilité et Dynamique des Protéines par RMN, au sein de l'IBS. Ces travaux paraissent dans Science.

Pour obtenir ce sommeil profond, les chercheurs ont refroidi la protéine à -168 °C, température à laquelle les différents composants de la protéine sont figés. En augmentant progressivement la température jusqu'à 7 °C, l'équipe a vu ses composants s'éveiller les uns après les autres sous l'agitation thermique, à l'image d'un individu qui, lors du réveil, ouvre d'abord les yeux, s'étire, et mobilise enfin assez d'énergie pour se lever. Cette astuce expérimentale permet de détecter les mouvements individuels des différents composants d'une protéine ainsi que les mouvements collectifs à l'aide d'un dispositif de spectroscopie RMN spécialement adapté et développé par l'équipe de l'IBS. Le procédé expérimental a été testé sur GB1, une classe de protéines interagissant avec les anticorps.

Le réveil de la protéine GB1. En bas, de gauche à droite, tout est figé à -168 °C. Les molécules d'eau d'hydratation (solvent), accolées à la protéine, commencent à bouger à -113 ° C. Puis les chaînes latérales (sidechain) se mettent en mouvement. Enfin, à -53 °C, le squelette (backbone) se réveille à son tour. Cette analyse par RMN permet de mesurer ces mouvements (fréquence et amplitude). Les courbes indiquent les dynamiques pour ces trois composants. Les chercheurs mesurent ainsi les énergies d'activation, un critère clé pour la compréhension du fonctionnement de ces molécules extraordinairement complexes que sont les protéines. © M. Blackledge

Le squelette de la protéine se réveille en dernier

Afin de mimer l'environnement de la protéine dans le cytoplasme de la cellule, les chercheurs ont analysé la protéine entourée de molécules d'eau. Lors de la montée en température, ces dernières ont été les premières à s'animer, à -113 °C. Les chaînes latérales de la protéine sont ensuite sorties de leur léthargie, suivies par son squelette, à -53 °C, température à laquelle la protéine est devenue active. À chaque transition et tout au long du réchauffement, les données de RMN ont permis de visualiser l'interaction entre toutes les parties de la protéine. « C'est la première fois que l'on reconstitue le film du réveil d'une protéine avec une telle précision, d'un état inerte à température très basse jusqu'à son état fonctionnel, avec toutes les étapes intermédiaires, souligne le chercheur. Nous avons identifié quelle température, donc quelle énergie, est nécessaire pour franchir la barrière menant d'un état à un autre. »

Ce dispositif de spectroscopie RMN a ainsi montré sa puissance pour reconstituer le film du réveil d'une protéine hydratée, un procédé permettant d'analyser finement les mouvements des différents composants d'une protéine, pour comprendre comment ils s'articulent afin de rendre la protéine fonctionnelle.