En combinant deux techniques, les chercheurs ont dévoilé le rôle crucial de la « cohérence » dans les réactions moléculaires, ouvrant la voie à un contrôle avancé de la dynamique moléculaire. Une illustration du processus de sondage. Crédit : Samuel Perrett
L’utilisation de la physique ultrarapide en biologie structurale a dévoilé la danse complexe de la « cohérence » moléculaire avec une clarté sans précédent.
Comprendre comment les molécules se transforment en réponse à des stimuli comme la lumière est fondamental en biologie, par exemple lors photosynthèse. Les scientifiques ont travaillé pour comprendre le fonctionnement de ces changements dans plusieurs domaines, et en combinant deux d’entre eux, les chercheurs ont ouvert la voie à une nouvelle ère dans la compréhension des réactions des molécules protéiques fondamentales pour la vie.
La grande équipe de recherche internationale, dirigée par le professeur Jasper van Thor du Département des sciences de la vie de l’Imperial, a récemment publié ses conclusions dans la revue Chimie naturelle.
La cristallographie est une technique puissante en biologie structurale permettant de prendre des « instantanés » de la façon dont les molécules sont disposées. Au cours de plusieurs expériences à grande échelle et d’années de travail théorique, l’équipe à l’origine de la nouvelle étude a intégré cette technique à une autre technique permettant de cartographier les vibrations dans la configuration électronique et nucléaire des molécules, appelée 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 de la protéine étudiée sont optiquement excitées, leurs tout premiers mouvements sont le résultat de la « cohérence ». Cela montre un effet vibratoire plutôt qu’un mouvement pour la partie fonctionnelle de la réaction biologique qui s’ensuit.
Cette distinction importante, démontrée expérimentalement pour la première fois, met en évidence comment la physique de la spectroscopie peut apporter de nouvelles connaissances aux méthodes classiques de cristallographie de la biologie structurale.
Le professeur van Thor a déclaré : « Chaque processus qui maintient la vie est réalisé par des protéines, mais comprendre comment ces molécules complexes accomplissent leur travail dépend de l’apprentissage de la disposition de leurs atomes – et de la façon dont cette structure change – au fur et à mesure de leurs réactions.
«Grâce aux méthodes de spectroscopie, nous pouvons désormais observer directement sous forme picturale les mouvements moléculaires ultrarapides qui appartiennent au processus dit de cohérence 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 et à une résolution proche de l’atome.
« Nous espérons qu’en partageant les détails méthodologiques de cette nouvelle technique, nous pourrons encourager les chercheurs dans les domaines de la biologie structurale résolue en temps ainsi que de la spectroscopie laser ultrarapide à explorer les structures cristallographiques des cohérences. »
Combiner les techniques
La combinaison des techniques a nécessité 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 Printemps-8 Angstrom Compact free electronic LAser (SACLA) au Japon, le PAL-XFEL en Corée et récemment également le XFEL européen à Hambourg.
Les membres de l’équipe travaillent depuis 2009 aux XFEL pour utiliser et comprendre les mouvements des protéines en réaction sur une échelle de temps femtoseconde (un millionième de milliardième de seconde), connue sous le nom de femtochimie. Suite à l’excitation par une impulsion laser, des « instantanés » de la structure sont pris à l’aide de rayons X.
Les premiers succès de cette technique en 2016 ont abouti à une image détaillée du changement induit par la lumière dans une protéine biologique. Cependant, les chercheurs devaient encore répondre à une question clé : quelle est l’origine des minuscules « mouvements » moléculaires sur l’échelle de temps femtoseconde immédiatement après la première impulsion lumineuse laser ?
Des études antérieures avaient supposé que tous les mouvements correspondaient à la réaction biologique, c’est-à-dire à son mouvement fonctionnel. Mais en utilisant la nouvelle méthode, l’équipe a découvert que ce n’était pas le cas dans ses expériences.
Contrôle cohérent
Pour parvenir à cette conclusion, ils ont créé un « contrôle cohérent » : façonner la lumière laser pour contrôler les mouvements de la protéine de manière prévisible. Après un premier succès en 2018 au LCLS de Stanford, le contrôle et la vérification de la méthode ont nécessité un total de six expériences dans les installations XFEL du monde entier, rassemblant à chaque fois de grandes équipes et formant des collaborations internationales.
Ils ont ensuite combiné les données de ces expériences avec des méthodes théoriques modifiées de la femtochimie, afin de les appliquer aux données cristallographiques aux rayons X plutôt qu’aux données spectroscopiques.
La conclusion était que les mouvements ultrarapides mesurés avec une précision exquise précision sur l’échelle picométrique et l’échelle de temps femtoseconde n’appartiennent pas à la réaction biologique, mais plutôt à la cohérence vibrationnelle dans l’état fondamental restant.
Cela signifie que les molécules « laissées sur place » après le passage de l’impulsion laser femtoseconde dominent les mouvements qui sont ensuite mesurés, mais uniquement pendant le temps de cohérence vibratoire.
Le professeur van Thor a déclaré : « Nous avons conclu que pour notre expérience, même si le contrôle cohérent n’était pas inclus, la mesure conventionnelle résolue dans le temps était en fait dominée par les mouvements de l’état fondamental « réactif » sombre, qui ne sont pas liés aux réactions biologiques qui sont déclenchés par la lumière. Au lieu de cela, les mouvements correspondent à ce qui est traditionnellement mesuré par spectroscopie vibrationnelle et ont une signification très différente, mais tout aussi importante.
«Cela avait en fait été prédit sur la base de travaux théoriques réalisés précédemment, mais cela a maintenant été démontré expérimentalement. Cela aura un impact significatif à la fois dans les domaines de la biologie structurale résolue dans le temps ainsi que dans la spectroscopie ultrarapide, car nous avons développé et fourni les outils pour l’analyse du mouvement ultrarapide à l’échelle de temps femtoseconde.
Une collaboration sans précédent
L’article comprend 49 auteurs issus de 15 institutions, couvrant des travaux sur sept ans, y compris des expériences menées à distance pendant la pandémie. C’est ce sentiment de collaboration qui a rendu ce résultat possible, selon le professeur van Thor.
Il a déclaré : « Dans un domaine en évolution rapide, où les applications XFEL Beamtime sont incroyablement compétitives et où il existe une pression pour publier chaque expérience individuelle, je suis extrêmement reconnaissant à tous les co-auteurs, membres de l’équipe et collaborateurs pour leur persévérance, dur travail et investissement dans la poursuite d’un objectif plus large, qui a nécessité le chemin stratégique et beaucoup plus long que nous avons emprunté.
Le co-auteur, le Dr Sébastien Boutet, du Laboratoire national des accélérateurs du SLAC, qui héberge le LCLS, a déclaré : « Ces résultats représentent ce qui est vraiment unique dans les capacités des lasers à rayons X. Il démontre le type de connaissances sur la biologie en mouvement qui ne peuvent être obtenues qu’avec de très courtes rafales de rayons X et combinées à une technologie laser de pointe. Nous voyons un avenir passionnant de découverte dans ce domaine.
Le professeur co-auteur Gerrit Groenhof, de l’Université de Jyväskylä, Finlande, a déclaré : « Utiliser un contrôle cohérent pour extraire la dynamique moléculaire pertinente dans l’état électronique excité à partir d’autres mouvements induits par le laser d’excitation est essentiel pour comprendre comment les protéines photoréceptrices ont évolué pour devenir médiatisent le processus de photo-activation. Voir un tel film moléculaire de photobiologie en action est non seulement fascinant, mais peut également être la clé pour découvrir les principes biologiques nécessaires à la conception de nouveaux matériaux sensibles à la lumière.
