UNE PROTÉINE SAISIE EN VOL PAR UN FLASH DE RAYONS X

Pour comprendre comment fonctionne une protéine, les biologistes aimeraient la regarder changer de forme. Il faut pour cela voir une seule molécule sous de nombreux angles, avec un rayonnement de très courte longueur d’onde. Le problème : les électrons et les rayons X, seules sondes assez puissantes, abîment aussi la molécule qu’ils observent. La cryo-microscopie électronique contourne l’obstacle en congelant des milliers de molécules dans la glace et en moyennant de nombreuses images bruitées.

Les rayons X déposent environ mille fois plus d’énergie par événement de diffusion que les électrons. Mais il existe une faille, la « diffraction avant destruction » : avec une impulsion de laser à électrons libres X qui ne dure que quelques femtosecondes, la figure de lumière diffusée est enregistrée avant que la molécule n’ait le temps de voler en éclats. Pas besoin de la congeler ni de la poser sur un support : on peut la saisir en vol. Jusqu’ici, cela avait marché sur de gros virus. Une seule protéine, imagée en 3D aux rayons X durs, restait hors de portée.

Du sang de ver de terre dans le vide

Une grande équipe internationale, menée par Paul Lourdu Xavier et Henry Chapman au DESY à Hambourg, avec l’European XFEL et des dizaines d’institutions dans le monde, a choisi l’érythrocruorine : une hémoglobine géante, purifiée à partir du sang d’une centaine de vers de terre. Elle pèse 3,6 mégadaltons et a une forme très symétrique, deux anneaux empilés percés d’un trou central.

Les protéines ont été pulvérisées en fines gouttelettes, neutralisées puis concentrées en un faisceau étroit filant à environ 100 mètres par seconde dans une chambre à vide. De l’hélium a été ajouté pour réduire la lueur de fond du gaz résiduel. En travers de ce faisceau tiraient les impulsions de l’European XFEL, à Schenefeld, en Allemagne : des photons X de 6 kiloélectronvolts, concentrés sur une tache de 180 sur 220 nanomètres, chaque impulsion durant environ 25 femtosecondes.

Chaque flash ionise environ les trois quarts des atomes de la molécule — mais il est terminé avant que l’explosion qui en résulte n’ait le temps de brouiller l’image.

270 millions d’images pour une forme

• En 21 heures, le détecteur a enregistré 270 millions d’images.
• Seules 188 557 — 0,07 % — contenaient une figure de diffraction, surtout d’une protéine unique.
• Les 50 000 meilleures ont été réparties en 144 groupes d’angles de vue proches, ce qui a donné des images de projection à environ 15 ångströms de résolution.
• À partir de 26 908 figures choisies, l’équipe a reconstruit la diffraction en trois dimensions, puis a gardé les 1 248 plus nettes pour calculer une carte 3D des électrons de la protéine à environ 20 ångströms. On y voit le trou central et la symétrie d’ordre six attendus d’après la structure connue.

Une protéine qui rétrécit en vol

Toutes les reconstructions 3D sont plus compactes que la structure cristalline connue, surtout le long de l’axe court. L’équipe a trouvé la cause : le vide lui-même. Hors de l’eau, la protéine se contracte. Des simulations de la molécule entière concordent — elle rétrécit de 2,5 % dans sa première nanoseconde, puis plus lentement. Ces variations d’une molécule à l’autre expliquent probablement pourquoi l’image 3D est plus floue que les images 2D.

Les auteurs listent les prochaines étapes : protéger les protéines de cet affaissement, avec des gouttelettes plus fines, un trajet plus court ou une congélation éclair, ou en les apportant dans une nappe de liquide ultrafine ; et des impulsions X plus stables, plus courtes et plus puissantes. Les simulations montrent que les dégâts du rayonnement compteront davantage à mesure que les images deviendront plus nettes.

Vers des films de molécules uniques

Vingt ångströms, c’est loin de voir les atomes. Mais les auteurs présentent ce résultat comme un objectif poursuivi depuis près de trois décennies : une protéine seule, isolée, imagée en trois dimensions aux rayons X durs, sans cristal ni congélation. La promesse au-delà, c’est le temps — déclencher une protéine et la saisir en plein mouvement, un flash à la fois.