Transparence cristalline : les neutrons au service d'un défi biotechnologique majeur
Les instruments de l'ILL jouent un rôle crucial dans le décryptage des mécanismes complexes de cristallisation des protéines.
La cristallisation des protéines est un processus à double tranchant. Lorsqu'elle est incontrôlée dans des formulations pharmaceutiques ou dans le corps humain, elle peut respectivement compromettre l'efficacité d'un médicament ou entraîner de graves maladies. Paradoxalement, provoquer la cristallisation des protéines in vitro est une étape indispensable – et complexe – pour élucider leurs structures. Les essais de cristallisation sont souvent fastidieux, basés sur des tâtonnements, et l'établissement d'approches systématiques et simplifiées reste difficile.
L'ajout de certaines substances aux solutions de protéines permet d'induire leur cristallisation de manière contrôlée. C'est le cas, par exemple, des polymères et des molécules ou atomes chargés. En particulier, il a été démontré que les ions salins multivalents (portant plus d'une charge électrique) favorisent efficacement la cristallisation des protéines.
Une équipe de chercheurs de l'ILL et leurs collaborateurs de Tübingen (Allemagne) et Lund (Suède) ont utilisé une approche multiméthode pour obtenir des informations détaillées sur les mécanismes de cristallisation de l'albumine sérique humaine (HSA) en présence de l'ion multivalent La3+. « Dès les premiers essais utilisant la microscopie optique et la diffusion de neutrons aux petits angles (SANS), nous avons été ravis de constater que même de minuscules différences dans la concentration en La3+ modifiaient radicalement la structure cristalline obtenue », explique Christian Beck, premier auteur de la plus récente publication de l'équipe. « Cela nous a motivés à réaliser d'autres expériences sur ce système d'une sensibilité intrigante. »
L'équipe a ensuite caractérisé ses échantillons de HSA-La3+ en temps réel, à partir des molécules de protéines isolées en solution jusqu'aux grands assemblages cristallins. Pour ce faire, les chercheurs ont exploité une grande variété d'instruments disponibles à l'ILL.
D33
IN16B
WASP
(jpeg - 187 Ki)Image: Échelles de longueurs et de temps accessibles aux neutrons, comparées à d'autres méthodes expérimentales.
La diffusion quasi-élastique de neutrons et la spectroscopie neutronique à écho de spin ont permis de distinguer les mouvements moléculaires des protéines en solution de ceux au sein des cristaux. « À mesure que les précurseurs de cristaux de protéines se forment, la solution est appauvrie en petites protéines isolées qui se déplacent rapidement. Nous avons donc observé un ralentissement global de la diffusion des protéines au fil du temps », explique Tilo Seydel, co-auteur de l'étude et co-responsable du spectromètre IN16B de l'ILL. Il est interessant de noter que ce comportement diffère nettement de celui d'un système protéine-sel assez similaire (bêta-lactoglobuline de lait bovin et ion divalent Cd2+). Dans ce dernier cas, les molécules de protéines ralentissent initialement pour s'assembler en un précurseur cristallin de type gel avant de s'accélérer à nouveau à mesure que le cristal grossit, appauvrissant la solution environnante en protéines.
Pour les deux systèmes protéine-sel, les expériences ont révélé que la diffusion des protéines en solution et l'évolution structurelle continue et lente des précurseurs (et, finalement, des cristaux) déterminent le processus de cristallisation. Ces études reflètent donc la complexité inhérente des mécanismes biophysiques qui sous-tendent la cristallisation des protéines.
« Grâce à la résolution énergétique exceptionnelle des instruments de l'ILL, des informations très complètes, cruciales pour de telles études fondamentales de processus biologiques complexes, peuvent être obtenues en quelques heures de temps expérimental », explique Christian Beck. Ce projet révèle la complémentarité remarquable des instruments de l'ILL, capable d'étudier les échantillons des utilisateurs à la fois avec des paramètres statiques et de résolution en énergie. « Au-delà de la recherche purement fondamentale, cette connaissance basée sur les neutrons est d'une importance capitale pour les applications pharmacologiques et médicales. »
Plusieurs étudiants en Master et doctorants ont participé aux nombreuses expériences de cette étude, illustrant l'engagement de l'ILL envers la formation des jeunes chercheurs. Les auteurs remercient chaleureusement ces expériences enrichissantes. De plus, les auteurs ont grandement bénéficié du Partenariat pour la Matière Condensée Molle (PSCM) sur le campus de l'EPN.
ILL instruments ILL: D33, IN11A (no longer in operation), IN16B, WASP
Contacts ILL : Orsolya Czakkel, Bela Farago, Olga Matsarskaia (now at Université Grenoble-Alpes/CHU Grenoble), Sylvain Prévost, Tilo Seydel
Référence: Beck, C., Mosca, I., Miñarro, L. M., Sohmen, B., Buchholz, C., Maier, R., ... & Seydel, T. (2025). A multiscale in situ time-resolved study of the nano-to millisecond structural dynamics during protein crystallization. Applied Crystallography, 58(3). http://dx.doi.org/10.1107/S160057672500353X