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Les avantages du cryoEM

Le Center for Microscopy and Molecular Imaging (CMMI) dispose depuis peu d’un cryoEM. Ce microscope électronique à basse température permet de reconstruire la structure 3D des virus, des nanomachines biologiques et des protéines au niveau atomique. Il présente plusieurs avantages par rapport à la microscopie classique.

Pour être observables, les échantillons examinés sous un microscope électronique classique doivent au préalable subir une série de traitements : fixation chimique dans des aldéhydes, déshydratation, coloration avec des métaux lourds pour accentuer les contrastes, plastification dans de la résine pour la découpe, etc. Avec le cryoEM, rien de tout ça ! « Les échantillons sont directement plongés dans un récipient d’éthane à -182 °C, lui-même immergé dans un bac d’azote liquide », explique le Pr David Pérez-Morga, responsable du laboratoire de microscopie électronique du CMMI. « Ce système de “double-piscine” provoque une réfrigération tellement rapide que les molécules d’eau présentes dans les échantillons ne cristallisent pas : elles se figent. Les échantillons restent donc très proches de leur état physiologique naturel. »

Des protéines préparées beaucoup plus vite
Pour espérer visualiser des protéines au niveau atomique, les techniques classiques nécessitent de travailler avec de grandes quantités de protéines, de les purifier au maximum, de les cristalliser et de les soumettre à une analyse appelée « diffraction de rayons X ». Un processus fastidieux et très long. Surtout pour les protéines dont l’environnement n’est pas aqueux, mais lipidique. « Ces protéines-là sont très difficiles à purifier dans leur état physiologique et à cristalliser », rappelle le Pr Pérez-Morga. « Certaines procédures ont mis vingt ans à aboutir... quand elles aboutissent ! Avec le cryoEM, nous pouvons modéliser des protéines hydrophobes en quelques mois. Et ce, avec des milliers de fois moins de molécules, des échantillons moins purs et sans cristallisation. »

Une caméra qui « voit » les protéines
La grande innovation du cryoEM, celle qui a valu le prix Nobel à ses concepteurs (1), est sa capacité à reconstruire les structures atomiques en 3 D. « Par exemple, l’image capturée d’un virus par un microscope électronique classique n’est au fond que l’ombre de ce virus », explique le Pr Pérez-Morga. « Quant aux protéines qui le composent, les anciennes caméras n’arrivaient pas à distinguer le signal produit par les noyaux des atomes légers de ces protéines et le bruit de fond. En revanche, les nouveaux capteurs qui équipent le cryoEM sont suffisamment sensibles pour “voir” ces signaux. À partir d’images 2D, le logiciel reconstruit alors la structure atomique de toutes ses protéines en 3D. »

Perspectives de recherche
Une des premières protéines à être modélisées avec le cryoEM du CMMI sera l’apolipoprotéine L1. Des versions de cette protéine humaine, conçues en laboratoire, peuvent détruire les parasites qui causent la maladie du sommeil (2). « Entourée d’un environnement lipidique, l’apolipoprotéine L1 est impossible à cristalliser. Nous la modélisons pour pouvoir l’étudier et comprendre ses interactions avec plusieurs autres protéines au niveau moléculaire. Ces interactions sont aussi importantes dans le développement de certaines maladies rénales humaines. »
D’autres projets de recherche se concentrent sur des protéines impliquées dans la résistance aux antibiotiques et autres drogues. Le cryoEM pourra aussi être utilisé pour modéliser des virus et des bactéries et leurs composants protéiniques ou encore des protéines impliquées dans des processus cancéreux.

Notes :
(1) En 2017, Jacques Dubochet, Joachim Frank et Richard Henderson ont obtenu le prix Nobel de chimie pour avoir développé la microscopie cryoélectronique.
(2) La trypanosomiase humaine africaine, dite aussi maladie du sommeil, est causée par un parasite véhiculé par la mouche tsé-tsé.