La cryo-EM révolutionnaire s’empare de la biologie structurelle

Une technique révolutionnaire pour déterminer la forme 3D des protéines est en plein essor. La semaine dernière, une base de données qui recueille les structures de protéines et d’autres molécules déterminées par la cryo-microscopie électronique, ou cryo-EM, a acquis sa 10 000e entrée.

Les soumissions à la Banque de données de la microscopie électronique (EMDB) – un référentiel populaire pour les structures résolues à l’aide de la microscopie électronique – ont augmenté de manière exponentielle ces dernières années, en grande partie en raison de la croissance explosive du nombre de microscopes cryo-électroniques dans les laboratoires du monde entier (voir ‘Les limiers des structures’). L’EMDB conserve des structures résolues avec d’autres méthodes de microscopie, mais la grande majorité utilise la cryo-EM.

La technique consiste à congeler instantanément des solutions de protéines ou d’autres biomolécules, puis à les bombarder d’électrons pour produire des images de microscopie de molécules individuelles. Celles-ci sont utilisées pour reconstruire la forme 3D, ou structure, de la molécule. Ces structures sont utiles pour découvrir le fonctionnement des protéines, leur dysfonctionnement en cas de maladie et la manière de les cibler avec des médicaments.

Pendant des décennies, les biologistes structurels ont préféré utiliser la cristallographie aux rayons X, une technique qui consiste à cristalliser les protéines, à les bombarder de rayons X et à reconstruire leur forme à partir des motifs révélateurs de la lumière diffractée qui en résulte. La cristallographie aux rayons X produit des structures de haute qualité, mais elle n’est pas facile à utiliser avec toutes les protéines – certaines peuvent mettre des mois ou des années à cristalliser, et d’autres ne cristallisent jamais. La cryo-EM ne nécessite pas de cristaux de protéines, mais la technique a langui parce qu’elle avait tendance à produire des structures à faible résolution – certains scientifiques l’appelaient la blobologie.

Picture parfaite

Des percées dans le matériel et les logiciels en 2012-13 ont produit des microscopes électroniques plus sensibles et des logiciels sophistiqués pour transformer les images qu’ils capturent en structures moléculaires plus nettes (voir ‘Finesse des détails’). Cela a ouvert la voie à la croissance actuelle de la cryo-EM, explique Sjors Scheres, biologiste structurel et spécialiste de la technique au MRC Laboratory of Molecular Biology (LMB) de Cambridge, au Royaume-Uni.

Richard Henderson, biologiste structurel du LMB qui a partagé le prix Nobel de chimie 2017 pour ses travaux de développement de la technique, explique que même après ces avancées, la croissance a été lente au début, car seul un petit nombre de laboratoires avait accès à l’équipement. Mais lorsqu’ils ont commencé à utiliser la cryo-EM pour produire des cartes détaillées de molécules telles que le ribosome – les machines à fabriquer les protéines des cellules – d’autres scientifiques, ainsi que leurs institutions et leurs bailleurs de fonds, l’ont rapidement remarqué. « Tous ceux qui avaient investi dans d’autres choses et pris les mauvaises décisions, il leur a fallu un an pour rattraper leur retard », dit Henderson.

Il estime que d’ici 2024, plus de structures de protéines seront déterminées par la cryo-EM que par la cristallographie aux rayons X. La cryo-EM a déjà supplanté la cristallographie aux rayons X pour une catégorie de protéines qui intéresse particulièrement les scientifiques, à savoir celles qui sont intégrées dans les membranes cellulaires. Beaucoup de ces protéines membranaires sont impliquées dans des maladies et servent de cibles pour les médicaments.

Imagerie avancée

Les structures des molécules déterminées par cryo-EM deviennent également plus détaillées, grâce aux améliorations continues du matériel et des logiciels, dit Scheres.

Au départ, les structures cryo-EM les plus nettes étaient celles de protéines très stables qui étaient utilisées pour tester les limites de la technologie. Mais Scheres a remarqué que les chercheurs obtiennent de plus en plus de structures à très haute résolution de molécules importantes sur le plan médical, comme les protéines de la membrane cellulaire, même si elles ont tendance à flotter.

« Nous arrivons maintenant au point où les échantillons faciles ont été faits et où les gens se penchent sur des problèmes plus complexes », dit Ardan Patwardhan, un biologiste structurel au Laboratoire européen de biologie moléculaire-Institut européen de bioinformatique à Hinxton, au Royaume-Uni, qui dirige l’équipe qui gère l’EMDB.

Henderson s’attend à ce que le boom des structures cryo-EM ralentisse à un moment donné. Un facteur qui pourrait saper la croissance, dit-il, est le coût élevé des microscopes les plus puissants, qui peuvent dépasser 5 millions de livres sterling (7 millions de dollars US). Leur fonctionnement coûte également des milliers de livres par jour et nécessite des laboratoires spécialisés qui minimisent les vibrations. M. Henderson fait campagne pour convaincre les entreprises de mettre au point des microscopes moins chers, mais toujours utiles, qui pourraient permettre de diffuser encore davantage la technique. « Pour l’instant, on ne peut pas se tromper en investissant davantage dans la cryo-EM », dit-il.