Sub-microsecond conformational dynamics in an optical nanocavity

Imaginez que vous essayez de regarder un danseur exécuter une routine complexe, mais que le danseur est invisible, que la scène est plongée dans le noir total et que vous n'avez le droit de jeter un coup d'œil par le trou d'une serrure que pendant une fraction de seconde. C'est le défi auquel les scientifiques sont confrontés lorsqu'ils tentent de comprendre comment les protéines — ces minuscules machines actives à l'intérieur de chaque cellule vivante — se déplacent et changent de forme. Ces changements de forme sont cruciaux ; c'est ainsi que notre corps reconnaît les virus, digère la nourriture et envoie des signaux entre les cellules. Cependant, ces changements se produisent extrêmement vite, souvent en un millionième de seconde, et sont si petits que les microscopes traditionnels ne peuvent pas les voir sans coller sur les protéines des étiquettes brillantes et lumineuses. Mais voici le problème : ces étiquettes peuvent agir comme des sacs à dos lourds, ralentissant le danseur ou modifiant ses mouvements, ce qui rend l'observation inexacte. De plus, parce que les protéines sont si agitées, se déplaçant de manière aléatoire comme une feuille dans une tempête (un phénomène appelé mouvement brownien), il a été presque impossible de suivre les étapes de danse spécifiques d'une seule protéine sans se perdre dans le bruit.

Entrez en scène, une équipe de chercheurs qui a construit une caméra ultra-rapide et ultra-sensible qui n'a pas besoin d'étiqueter le danseur du tout. Ils ont créé un minuscule capteur à fibre optique qui agit comme une scène super calme et ultra-stable. Au lieu d'essayer de figer la protéine en place avec des forces puissantes qui pourraient l'écraser, ils la guident délicatement sur une surface où elle peut bouger librement tout en restant visible. Ce dispositif est si rapide et stable qu'il peut observer une seule protéine changer de forme en moins d'un millionième de seconde, capturant des milliers de ces minuscules « pas » dans un seul film continu qui dure des minutes. En faisant cela, ils ont découvert que les protéines ne se déplacent pas seulement de manière aléatoire ; elles ont de la mémoire, elles hésitent, et elles passent d'une forme à une autre de manières qui étaient auparavant cachées parce que les scientifiques ne regardaient que la moyenne de millions de protéines à la fois. Cela ouvre une nouvelle fenêtre sur la danse secrète et rapide de la vie, nous aidant à comprendre comment ces machines moléculaires fonctionnent lorsqu'elles sont en bonne santé et ce qui se passe lorsqu'elles dysfonctionnent.

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La caméra super-sensible pour protéines

Les chercheurs, dirigés par Heehun Sung et Warwick Bowen de l'Université du Queensland, ont développé un nouveau type de capteur pour regarder les protéines danser sans les toucher. Considérez leur dispositif comme une minuscule « fente » unidimensionnelle sculptée dans une puce de silicium, qui agit comme une loupe surpuissante pour la lumière. Lorsque la lumière est piégée dans cette fente, elle crée un champ très uniforme et doux.

Habituellement, lorsque les scientifiques tentent de piéger une seule protéine pour l'observer, le champ lumineux ressemble à une colline accidentée et irrégulière. La protéine est poussée et tirée par ces bosses, oscillant violemment à cause de son mouvement naturel induit par la chaleur (mouvement brownien). Ces oscillations créent tellement de bruit qu'elles masquent les minuscules changements significatifs de la forme de la protéine. Les auteurs ont réalisé que pour voir les vrais mouvements de la protéine, ils devaient aplatir la colline. Ils ont conçu leur fente de silicium de sorte que le champ lumineux soit incroyablement lisse et uniforme. Cette lissité supprime les oscillations de la protéine d'un facteur de soixante, faisant taire efficacement le bruit de fond afin que les changements structurels réels de la protéine puissent être entendus clairement.

La danseuse de la ferritine

Pour tester leur nouveau capteur, ils ont utilisé une protéine appelée ferritine, qui est essentiellement une minuscule cage de stockage de fer présente dans notre corps. Ils ont placé une seule couche de ces protéines sur leur capteur et ont observé ce qui se passait.

D'abord, ils ont vu les protéines adhérer à la surface, formant une « couche dure ». Une fois que cette couche était stable, ils ont observé des protéines individuelles faiblement attachées à celle-ci. Ces protéines n'étaient pas fixées étroitement ; elles se trouvaient dans une « couche molle », ce qui leur permettait de gigoter et de se déplacer tout en restant sur place.

Le capteur a détecté quelque chose d'incroyable : les protéines effectuaient des « pas » distincts entre deux formes différentes. Ce n'était pas un glissement fluide ; c'était un saut soudain d'un état à un autre.

• La vitesse : Ils ont pu résoudre ces sauts en seulement 400 nanosecondes (soit 0,0000004 seconde).
• Le volume : Dans une seule mesure qui a duré seulement 8,5 secondes, ils ont suivi plus de 71 000 transitions (pas) pour une seule protéine. Dans une mesure d'une seconde pour un autre type, ils ont vu plus de 12 000 pas.

Ce niveau de détail était auparavant impossible. Les anciennes méthodes ne pouvaient voir que la moyenne de millions de protéines, ce qui brouillait ces étapes rapides et individuelles.

Ce que les pas nous révèlent

En observant ces pas en temps réel, les chercheurs ont découvert que les protéines ont de la « mémoire ».

• Effets de mémoire : Lorsqu'une protéine restait dans une forme pendant un certain temps, son mouvement suivant dépendait de la durée de sa présence dans cette forme. Cela suggère que la structure interne de la protéine change lentement en arrière-plan, influençant ses mouvements actuels.
• Hétérogénéité : Toutes les protéines n'étaient pas les mêmes. Même au sein d'un même lot, certaines protéines se déplaçaient différemment des autres. Cette « individualité » était cachée dans les études précédentes qui faisaient la moyenne de tout.

Ils ont également testé comment l'environnement modifie la danse :

1. Concentration de sel : Lorsqu'ils ont augmenté la concentration de sel dans la solution, le « pas » de la protéine s'est arrêté et elle s'est stabilisée dans une forme unique. Cela suggère que le sel agit comme un stabilisateur, verrouillant la coque de la protéine en place.
2. Le cœur de fer : Ils ont comparé la ferritine avec son cœur de fer (holoferritine) et la ferritine sans son cœur (apoferritine). La version sans cœur était moins stable et continuait de faire des pas même lorsque les niveaux de sel étaient élevés. Cela a confirmé que le cœur de fer aide à rigidifier la coque de la protéine.

Pourquoi cela importe

Les auteurs soutiennent que ces pas rapides sont probablement le résultat de l'ouverture et de la fermeture des minuscules canaux de la protéine pour laisser entrer et sortir le fer — un processus que les simulations avaient prédit, mais que personne n'avait pu réellement voir jusqu'à présent. Comme leur capteur est construit sur une puce de silicium, ils peuvent en fabriquer des centaines à la fois. Cela signifie que la technologie pourrait éventuellement être mise à l'échelle pour cribler des milliers de médicaments ou étudier comment différentes protéines interagissent, le tout sans avoir recours à des étiquettes fluorescentes qui pourraient altérer le comportement naturel de la protéine.

Les chercheurs précisent toutefois qu'ils sont très convaincus que ces pas représentent le changement de forme de la protéine, mais qu'ils travaillent encore à écarter d'autres possibilités, comme le simple saut de la protéine vers un autre endroit du capteur. Cependant, le fait que les pas dépendent des niveaux de sel et de la présence du cœur de fer, et que d'autres protéines comme la catalase ne présentent pas le même comportement de pas, soutient fortement l'idée que ce qu'ils observent est bien le changement de la structure interne de la protéine.

Ce travail ne nous donne pas seulement une caméra plus rapide ; il nous offre une nouvelle façon d'écouter les conversations rapides et discrètes des molécules qui nous maintiennent en vie.