Un cristal de protéine61

63

Cette image présente la formation de structures cristallines de lysozymedans des gouttes de cristallisation déposées dans une plaque multi-puits.Les cristaux ont été obtenus grâce à la technique de « cristallisation engoutte assise » par diffusion en phase vapeur. Une goutte recelant laprotéine en solution est placée au-dessus d’un réservoir contenant unsolvant. Un état de sursaturation s’établit dans la goutte qui conduit à unelente évaporation du solvant, entraînant une augmentation de laconcentration de la protéine et, dans certains cas, sa cristallisation. Cettetechnique, longue et fastidieuse, procède par tâtonnement afin de révélerparmi des milliers de combinaisons de conditions physicochimiquespossibles, celles qui conduiront de manière reproductible à un cristalhomogène de qualité. Il s’agit d’une étape critique pour la déterminationultérieure de la structure tridimensionnelle de la protéine, structureobtenue par exposition du cristal sous rayonnement X. Plus l’empilementde la protéine au sein du cristal est régulier, plus les détails obtenus sur lastructure en trois dimensions seront fins.L’interprétation des profils de diffraction obtenus après éclairement descristaux dans un rayonnement synchrotron fournit une cartographiespatiale de la protéine étudiée. On y découvre l’arrangement tridimen-sionnel des atomes au sein de la protéine, qui souligne ainsi les sites actifsde la protéine, les zones exposées au solvant, celles liant des protéines derégulation, ou encore les régions qui fixent (ou permettront de concevoir)des activateurs/inhibiteurs pharmacologiques de cette protéine �

Voici une protéine lysozymesous forme de cristal.Observons sa structureà l’aide d’une loupebinoculaire.Nous voyons trois puitscontenant des gouttesde cristallisation.À l’intérieur de chacuned’elles, le changementde composition chimiquede la solution se traduitpar l’apparition destructures cristallinesde tailles différentesd’une même protéine.La structure 3D dela protéine cristalliséeest déterminée grâceà l’irradiation du cristalpar rayons X.

DE LA PROTÉINE AU MÉDICAMENT

Déterminer la structure tridimensionnelle des protéines pour comprendre leur fonction estprimordial. À l’ère de la post-génomique, des milliers de gènes codant pour des protéines defonction inconnue sont mis en évidence au sein des génomes. Dans ce cadre-là, la biologiestructurale intégrative peut s’inscrire dans la recherche de nouveaux composés à actionsthérapeutiques. Il s’agit souvent d’établir une relation entre un gène, une protéine et unemaladie. La connaissance du gène conduit à la caractérisation de la protéine codée, de sastructure tridimensionnelle, de sa fonction et à la détermination des pathologies auxquellescette protéine peut être associée. La détermination de la structure d’une protéine parcristallographie aux rayons X (radiocristallographie) ou par résonance magnétique nucléaire(RMN) offre des informations structurales à l’échelle atomique, indispensables pour lacompréhension des propriétés fonctionnelles des macromolécules. La radiocristallographierepose sur l’analyse des spectres de diffraction issus de l’irradiation X de cristaux. Son utilisationn’est pas limitée par la taille de la molécule à étudier mais par l’obtention de cristaux présentantun fort pouvoir diffractant.A contrario, la RMN permet de travailler avec des molécules ensolution et conduit à une vision dynamique du système. Cette technique est cependantlimitée à des molécules de masse moléculaire inférieure à 30 kDa (le Dalton est l’unité demesure de masse des protéines. Par exemple, un acide aminé a une masse de 110 Da.).La résolution de la structure d’une protéine permet de caractériser ses sites actifs, les zoneslui permettant d’agir avec d’autres protéines partenaires (ligands) qui vont stimuler ouinhiber sa fonction. Ces données structurales peuvent permettre de proposer une solutionthérapeutique, par exemple grâce à la mise au point d’un ligand-médicament.La mise au point de ce ligand, de préférence à haute affinité et forte spécificité, passe parune approche de conception rationnelle fondée sur la connaissance de la structuretridimensionnelle de la protéine cible. Aujourd’hui, l’utilisation conjointe de la RMN et dela radiocristallographie donne lieu à de véritables synergies qui favorisent l’élucidation et lacompréhension de la structure des molécules ainsi que des stratégies rationnelles de criblageet de conception de molécules à visée thérapeutique.

B I E N VU , B I E N LU UN CRISTAL DE PROTÉINE

Sciences de la vie et de la TerreCollège• La cellule est l'unité d’organisation des êtresvivants.Lycée• Du génotype au phénotype,relations avec l’environnement– Les enzymes– La biosynthèse des protéines– Relations gène-protéine• Membrane, hormone, génome, protéine.…

Retrouvez et téléchargez toutes les images du Portfolio pour votre classe sur le site www.docsciences.fr

DANS LES PROGRAMMES ÉCOLE/COLLÈGE/LYCÉE

GÉOGRAPHIE MATHÉMATIQUES TECHNOLOGIE SCIENCES PHYSIQUES SCIENCES DE LA VIE ET DE LA TERRE

2 UN CRISTAL DE PROTÉINE

PORTFOLIO

PAROLE D’EXPERT�

Gouttes de cristallisation (© P. Dumas/CEA)

Première ES• Du génotype au phénotype, applicationsbiotechnologiques relation entre ADNet protéines• TPE : Avancées scientifiques et réalisa-tions techniques

CollègeSVT-géologie• Les cristaux