Comment suivre en temps réel la dynamique des biomolécules ?

C’est un pro­blème qui taraude les bio­lo­gistes depuis plus de cin­quante ans : com­ment se forme la struc­ture en hélice des pro­téines et de l’ADN ? Certes, il existe dif­fé­rentes tech­niques expé­ri­men­tales per­met­tant de déter­mi­ner pré­ci­sé­ment la struc­ture tri­di­men­sion­nelle des bio­mo­lé­cules. Cepen­dant, mesu­rer leurs dyna­miques qui impliquent des mou­ve­ments sur des échelles de temps, allant de quelques dizaines de fem­to­se­condes (i.e. 10 x 10^-15 secondes) à quelques secondes, reste encore un défi expé­ri­men­tal. Ce domaine de recherche est explo­ré par une équipe de cher­cheurs fran­çais, diri­gée par Pas­cale Chan­ge­net et Fran­çois Hache au Labo­ra­toire d’optique et bios­ciences à l’École poly­tech­nique, en uti­li­sant le dichroïsme cir­cu­laire réso­lu en temps.

Pas­cale Chan­ge­net. C’est une tech­nique qui repose sur la pro­prié­té des com­po­sés chi­raux, capables d’absorber dif­fé­rem­ment la lumière pola­ri­sée qu’elle soit cir­cu­lai­re­ment droite ou cir­cu­lai­re­ment gauche. Un com­po­sé est chi­ral lorsqu’il n’est pas super­po­sable à son image dans un miroir. De tels objets peuvent exis­ter sous deux formes que l’on appelle énan­tio­mères dans le cas des molé­cules. La « chi­ra­li­té » est une com­po­sante impor­tante du vivant que l’on retrouve par­tout à dif­fé­rentes échelles. Nos mains sont des exemples d’objets chi­raux. Les pro­téines et l’ADN sont des assem­blages molé­cu­laires chi­raux consti­tués de briques élé­men­taires (les acides ami­nés et les nucléo­tides) elles-mêmes chi­rales pour la plu­part. En uti­li­sant le dichroïsme cir­cu­laire, il est pos­sible de carac­té­ri­ser leur arran­ge­ment spa­tial en hélice notam­ment lorsqu’elles sont à l’équilibre, en solution.

Tou­te­fois, le dichroïsme cir­cu­laire reste encore très peu déve­lop­pé pour les mesures dyna­miques (ou hors-équi­libre) en par­ti­cu­lier aux temps ultra-brefs. Cela néces­site d’utiliser des lasers déli­vrant des impul­sions fem­to­se­condes et ce qu’on appelle la tech­nique « pompe-sonde ». Une pre­mière impul­sion laser intense, la pompe, sert à « per­tur­ber » les bio­mo­lé­cules tan­dis qu’une seconde moins intense, la sonde, per­met d’observer la réponse du sys­tème à la per­tur­ba­tion lumi­neuse. C’est un peu comme le flash qui pré­cède la prise de pho­tos quelques ins­tants après. En contrô­lant le retard entre l’arrivée des impul­sions pompe et sonde dans les échan­tillons, il est pos­sible de mesu­rer l’enchaînement des évé­ne­ments déclen­chés par la pompe avec une réso­lu­tion tem­po­relle limi­tée par la durée des impul­sions pompe et sonde. En plus, en contrô­lant très pré­ci­sé­ment la pola­ri­sa­tion cir­cu­laire de la sonde à chaque retard pompe-sonde, nous pou­vons retra­cer le film du chan­ge­ment de la confor­ma­tion des bio­mo­lé­cules au cours du temps.

Le prin­ci­pal inté­rêt du dichroïsme cir­cu­laire est de pou­voir accé­der à la dyna­mique confor­ma­tion­nelle des bio­mo­lé­cules jusqu’à des échelles de temps extrê­me­ment brèves, ce qui n’est, par exemple, pas pos­sible avec la réso­nance magné­tique nucléaire. Bien qu’il soit pos­sible aujourd’hui de faire des mesures de dif­frac­tion de rayons X réso­lues en temps avec une réso­lu­tion tem­po­relle très courte, cela néces­site l’utilisation de grands ins­tru­ments tels les syn­chro­trons ou les lasers à élec­trons libres (XFEL) très coû­teux et à accès limité.

Si le dichroïsme cir­cu­laire donne des infor­ma­tions tou­te­fois moins pré­cises sur la struc­ture des bio­mo­lé­cules que la dif­frac­tion de rayons X, nos expé­riences uti­lisent des sources laser com­mer­ciales et sont direc­te­ment réa­li­sables dans notre labo­ra­toire. Le prin­cipe de ces mesures est extrê­me­ment simple. Tou­te­fois, elles néces­sitent d’être capable de détec­ter des varia­tions de signaux lumi­neux extrê­me­ment faibles de l’ordre de 1/10000, ce qui explique cer­tai­ne­ment pour­quoi encore très peu de gens l’utilisent, pour le moment. Avec les pro­grès constants dans le déve­lop­pe­ment des sources laser et des optiques, ces expé­riences sont ame­nées à deve­nir de plus en plus accessibles.

Fran­çois Hache. Notre équipe est pion­nière dans le déve­lop­pe­ment des mesures de dichroïsme cir­cu­laire aux temps très brefs. L’avantage de ces mesures est qu’elles ne demandent pas de modi­fi­ca­tions spé­ci­fiques des échan­tillons étu­diés et néces­sitent de toutes petites quan­ti­tés de pro­téines ou d’ADN, com­pa­rées aux mesures de dif­frac­tion de rayons X qui requièrent de cris­tal­li­ser les échan­tillons et qui sont destructives.

PC. Ce sont des pro­grès consi­dé­rables, il devient pos­sible de pré­dire de manière fiable la struc­ture tri­di­men­sion­nelle des pro­téines à par­tir de leurs séquences, notam­ment avec le déve­lop­pe­ment récent de l’algorithme Alpha Fold 2. Cepen­dant, la fonc­tion des bio­mo­lé­cules n’est pas seule­ment liée à leur struc­ture tri­di­men­sion­nelle, elle l’est éga­le­ment à leurs chan­ge­ments dyna­miques. Mesu­rer et modé­li­ser ces dyna­miques — s’étalant sur des échelles de temps de plu­sieurs ordres de gran­deur — reste encore un enjeu majeur de la bio­phy­sique moderne.

FH. Nos études se concentrent sur les bio­mo­lé­cules en solu­tion in vitro. Il est dif­fi­cile d’envisager des études de ce type dans les cel­lules, les tis­sus ou encore in vivo. Nos tra­vaux ont, avant tout, pour but de com­prendre com­ment se forment les hélices dans les pro­téines ou l’ADN et d’en iden­ti­fier les fac­teurs d’environnement déter­mi­nants, comme la tem­pé­ra­ture, le pH ou la nature des ions. Com­prendre les effets dyna­miques de l’interaction de cer­taines molé­cules ciblant spé­ci­fi­que­ment l’ADN sur sa struc­ture « chi­rale » est une voie que nous explo­rons éga­le­ment pour ali­men­ter de nou­velles pistes de recherches en phar­ma­co­lo­gie ou en médecine.

Julien Hernandez