Les applications de la physique ultrarapide à la biologie structurale révèlent la danse complexe de la « cohérence » moléculaire avec une clarté sans précédent. Comprendre comment les molécules répondent à des stimuli tels que la lumière, par exemple lors de la photosynthèse, est fondamental en biologie. Les scientifiques ont travaillé pour découvrir comment ces changements opèrent dans plusieurs domaines, et en réunissant deux de ces domaines, les chercheurs ouvrent la voie à une nouvelle ère de compréhension des réactions moléculaires des protéines essentielles à la vie.
Une grande équipe de recherche internationale dirigée par le professeur Jasper van Thor du Département des sciences de la vie de l'Imperial College de Londres a récemment publié ses conclusions dans la revue Nature Chemistry.
La cristallographie est une technique puissante en biologie structurale qui permet de prendre des « instantanés » de la façon dont les molécules sont disposées. Après plusieurs expériences à grande échelle et des années de recherche théorique, l'équipe à l'origine de la nouvelle étude a combiné cette technique avec une autre technique permettant de cartographier les vibrations des configurations électroniques et nucléaires d'une molécule, connue sous le nom de spectroscopie.
En démontrant la nouvelle technique dans de puissantes installations laser à rayons X à travers le monde, l'équipe a montré que lorsque les molécules des protéines étudiées étaient optiquement excitées, leurs mouvements initiaux étaient le résultat de la « cohérence ». Cela suggère qu’il s’agit d’un effet vibratoire plutôt que d’un mouvement ultérieur des parties fonctionnelles de la réponse biologique.
Cette différence importante, démontrée expérimentalement pour la première fois, met en évidence comment la physique spectrale peut apporter un nouvel éclairage aux méthodes cristallographiques classiques de la biologie structurale.
Le professeur Van Tol a déclaré : « Chaque processus qui entretient la vie est réalisé par des protéines, mais pour comprendre comment ces molécules complexes font leur travail, il est nécessaire de comprendre la disposition de leurs atomes et comment cette structure change au cours des réactions. Grâce aux méthodes de spectroscopie, nous pouvons désormais voir directement sous forme d'images en résolvant leurs structures cristallines. « Nous disposons désormais des outils nécessaires pour comprendre et même contrôler la dynamique moléculaire à des échelles de temps extrêmement rapides, proches de la résolution atomique. Nous espérons qu'en partageant les détails méthodologiques de cette nouvelle technique, nous encouragerons les chercheurs dans le domaine de la biologie structurale résolue dans le temps ainsi que de la spectroscopie laser ultrarapide à explorer la structure cristalline des processus cohérents.
Combinaison technologique
La combinaison de ces technologies nécessite l'utilisation d'installations de laser à électrons libres à rayons X (XFEL), notamment la source de lumière cohérente Linac (LCLS) aux États-Unis, le laser à électrons libres compact Angstrom SPring-8 (SACLA) au Japon, le PAL-XFEL en Corée du Sud et, plus récemment, le XFEL européen à Hambourg.
Les membres de l'équipe travaillent au XFEL depuis 2009, exploitant et comprenant le mouvement des protéines réactives à l'échelle de temps femtoseconde (milliardième de seconde), connue sous le nom de chimie femtoseconde. Après excitation par une impulsion laser, les rayons X sont utilisés pour prendre un « instantané » de la structure.
En 2016, la technologie a connu un premier succès, décrivant en détail les changements qui se produisent dans les protéines biologiques induits par la lumière. Cependant, les chercheurs doivent encore résoudre une question clé : d’où vient le petit « mouvement » moléculaire sur l’échelle de temps femtoseconde directement après la première impulsion lumineuse laser ? Des recherches antérieures ont supposé que tous les mouvements correspondaient à des réponses biologiques, c'est-à-dire à leurs mouvements fonctionnels. Mais en utilisant la nouvelle méthode, l’équipe a découvert lors d’expériences que ce n’était pas le cas.
contrôle cohérent
Pour arriver à cette conclusion, ils ont créé un « contrôle de cohérence » : façonner la lumière laser pour contrôler le mouvement des protéines de manière prévisible. Après un premier succès au LCLS de Stanford en 2018, pour vérifier et valider l'approche, ils ont mené un total de six expériences dans les installations XFEL du monde entier, formant à chaque fois de grandes équipes et des collaborations internationales. Ils ont ensuite combiné ces données expérimentales avec des méthodes théoriques modifiées à partir de la chimie des gouttelettes afin qu'elles puissent être appliquées aux données cristallographiques aux rayons X plutôt qu'aux données spectroscopiques.
La conclusion est que les mouvements ultrarapides mesurés précisément sur des échelles de temps picométriques et femtosecondes n'appartiennent pas à des réactions biologiques mais à la cohérence vibrationnelle de l'état fondamental restant. Cela signifie que les molécules « restantes » après l'impulsion laser femtoseconde dominent le mouvement mesuré ultérieurement, mais seulement pendant ce que l'on appelle le temps de cohérence vibratoire.
Le professeur Van Thor a déclaré : « Nous concluons que dans nos expériences, même sans inclure le contrôle de cohérence, les mesures conventionnelles résolues dans le temps sont en réalité dominées par les mouvements de l'état fondamental sombre du « réactif » qui ne sont pas liés aux réactions biologiques induites par la lumière. Au lieu de cela, ces mouvements sont opposés à ceux mesurés par la spectroscopie vibrationnelle conventionnelle.