Introduction à la cryo-microscopie électronique résolue dans le temps
Dans le domaine de la biologie des protéines, les mouvements moléculaires se produisent à des échelles de temps extrêmement courtes, souvent de l’ordre de la milliseconde ou moins. La cryo-microscopie électronique résolue dans le temps (TR cryo-EM) a révolutionné la capacité des scientifiques à capturer ces processus dynamiques avec une précision quasi atomique. Ulrich Lorenz, chimiste à l’École polytechnique fédérale de Lausanne, souligne l’importance de cette technologie pour observer les mouvements des domaines protéiques liés à leur fonction.
Les défis et les avancées de la TR cryo-EM
Historiquement, travailler à ces échelles de temps a posé des défis considérables aux biologistes. Cependant, l’évolution rapide de la TR cryo-EM au cours des dernières années a permis de reconstruire des processus dynamiques avec une précision sans précédent. Cette technique pourrait non seulement offrir des perspectives biologiques fondamentales, mais aussi guider le développement de médicaments plus efficaces et améliorer les efforts d’ingénierie des protéines.
Applications potentielles dans le développement de médicaments
Youdong Mao, physicien à l’Université de Pékin, affirme que la TR cryo-EM pourrait être le choix naturel, voire la seule option, pour capturer des conformations protéiques potentiellement mieux ciblées par les médicaments. Cependant, cette technique reste spécialisée, nécessitant une expertise considérable et un équipement spécialisé. Radoslav Enchev, biochimiste à l’Institut Francis Crick de Londres, met en garde contre la complexité de la nature, soulignant que le progrès dans ce domaine passionnant sera sporadique tant que davantage de laboratoires n’auront pas accès aux outils nécessaires.
Les bases de la cryo-EM
La cryo-EM consiste à appliquer des solutions protéiques sur un substrat en grille et à les congeler rapidement dans une structure vitreuse appelée glace vitreuse. À l’aide d’un microscope électronique à transmission, les chercheurs imagent ensuite des molécules individuelles dans de nombreuses orientations. Ces projections 2D peuvent être reconstruites en une structure 3D haute résolution.
Les limites des structures statiques
Les utilisateurs expérimentés peuvent produire des structures suffisamment nettes pour résoudre des atomes d’hydrogène individuels. Cependant, la plupart des expériences imagent une seule conformation relativement stable. Stephen Muench, biologiste structural à l’Université de Leeds, a lutté pendant des années avec les limitations de ses études de cryo-EM sur une protéine connue sous le nom de vacuolar ATPase, un moteur moléculaire qui tourne en pompant des protons à travers les membranes lipidiques.
Les défis de la résolution temporelle et spatiale
Les biologistes ont dû choisir entre obtenir une haute résolution dans le temps ou dans l’espace. Les expériences de super-résolution sur cellules vivantes peuvent visualiser des protéines individuelles à des échelles de temps de millisecondes, mais ne peuvent discerner les caractéristiques structurelles détaillées. La résonance magnétique nucléaire peut enregistrer des transitions relativement rapides entre les conformations protéiques avec une haute résolution, mais est limitée à de petites cibles.
Les films moléculaires : une nouvelle perspective sur la biologie cellulaire
En principe, la cryo-EM offre un excellent ajustement pour les expériences résolues dans le temps. Avec suffisamment de particules, les chercheurs pourraient théoriquement reconstruire chaque état conformationnel qu’une protéine peut assumer. Le défi consiste à synchroniser ces processus dynamiques pour que les reconstructions 3D puissent être assemblées en un film moléculaire.
Les méthodes de mélange et de pulvérisation
Les méthodes de mélange et de pulvérisation peuvent introduire une incertitude considérable en raison d’un mélange inefficace entre la protéine et le ligand. Joachim Frank, biophysicien à l’Université Columbia, a développé une méthode alternative utilisant des puces microfluidiques basées sur des polymères pour un mélange précis avant la pulvérisation sur une grille et la congélation.
Les améliorations futures et les défis
Il reste encore beaucoup à améliorer. La préparation d’échantillons basée sur la microfluidique nécessite beaucoup de matériel. Mao et son équipe ont exploré une approche alternative pour étudier le complexe protéasome en ralentissant son activité pour collecter des données résolues dans le temps avec des méthodes de cryo-EM plus conventionnelles.
Conclusion
La TR cryo-EM continue de repousser les limites de notre compréhension des dynamiques protéiques. Avec des améliorations continues dans les techniques de mélange et de pulvérisation, ainsi que dans la résolution temporelle, cette technologie promet de révéler des détails encore plus fins sur les processus biologiques fondamentaux.
🔗 **Fuente:** [Nature](https://www.nature.com/articles/d41586-025-01889-0)