L’équipe développe une amélioration clé de la cryomicroscopie électronique

Les scientifiques qui ont reçu le prix Nobel de chimie 2017 ont été récompensés pour leur développement d’une technique appelée cryo-microscopie électronique, ou cryo-EM. Cette technologie était révolutionnaire car elle permettait aux scientifiques de visualiser la structure atomique des molécules biologiques en haute résolution.

Mais la cryo-EM avait encore un problème : elle n’était efficace que pour l’imagerie de grosses molécules.

Aujourd’hui, les biochimistes de l’UCLA, en collaboration avec des scientifiques de l’industrie pharmaceutique, ont développé une solution qui permettra également à la cryo-EM d’acquérir des images de haute qualité de molécules protéiques plus petites. Les scientifiques ont conçu une structure protéique en forme de cube de 20 nanomètres, appelée échafaudage, avec des saillies rigides en forme de trépied qui maintiennent les petites protéines en place.

L’échafaudage peut être numériquement supprimé de l’image lors du traitement de l’imagerie, laissant une image composite 3D des petites protéines analysées par les scientifiques.

Les protéines de petite et moyenne taille constituent un point chaud pour la recherche de nouveaux médicaments potentiels qui pourraient un jour être utilisés pour lutter contre certaines des maladies humaines les plus incurables. Cette avancée, qui a été testée sur une protéine que les scientifiques étudient pour son éventuelle utilisation dans les traitements contre le cancer, peut être personnalisée pour presque toutes les petites protéines. Les chercheurs s’attendent à ce que l’expansion des capacités d’imagerie du cryo-EM les aide à identifier des emplacements spécifiques sur des protéines qu’ils peuvent cibler à des fins thérapeutiques.

Un article sur la nouvelle recherche est publié dans le Actes de l’Académie nationale des sciences.

En cryo-EM, les scientifiques utilisent un microscope cryoélectronique pour envoyer un faisceau d’électrons à travers des échantillons de matériau congelés, laissant derrière eux une image des milliers de molécules, telles que des protéines, présentes dans l’échantillon. Les molécules sont photographiées exactement telles qu’elles se trouvent dans l’échantillon, produisant des milliers de photographies 2D de la molécule prises sous différents angles. Le traitement informatique réconcilie toutes ces photographies pour formuler une image 3D correcte, en séparant l’arrière-plan, en regroupant les images ayant des orientations similaires et en générant une image 3D haute résolution d’une seule molécule.

Mais lorsqu’il s’agit d’imager les plus petites molécules de protéines, leur petite taille rend impossible la détermination de leurs orientations dans les images, ce qui donne des images de résolution relativement faible.

Dans des études précédentes, les scientifiques avaient tenté de résoudre le problème en attachant de petites molécules à des échafaudages plus grands, mais ces expériences ont démontré que si les petites molécules étaient attachées de manière trop flexible, elles dépasseraient de l’échafaudage sous différents angles et orientations, ce qui produirait toujours des images floues. .

« Les images sont floues parce que l’ordinateur ne peut pas créer une image composite distincte s’il ne peut pas déterminer les orientations avec précision », a déclaré Todd Yeates, professeur émérite de biochimie de l’UCLA, directeur par intérim de l’UCLA – Department of Energy Institute for Genomics and Proteomics et l’auteur correspondant de l’article.

Dans la nouvelle étude, l’échafaudage créé par les scientifiques comporte des saillies en forme de trépied qui capturent les protéines et les maintiennent fermement en place, ce qui donne les images à plus haute résolution qu’elles recherchaient.

« La fixation rigide des petites molécules à des échafaudages plus grands crée des particules suffisamment grandes pour être imagées et qui ont toutes exactement la même forme 3D », a déclaré Yeates. « Et à partir de là, le processus fonctionne comme d’habitude pour construire l’image 3D haute résolution. »

Roger Castells-Graells, chercheur postdoctoral à l’UCLA et auteur principal de l’étude, a déclaré que les scientifiques ont d’abord essayé une autre forme d’échafaudage avant d’atterrir sur la version avec des saillies en forme de trépied.

« Au début, nous utilisions un seul ‘bâton’ pointé vers l’extérieur et cela n’a pas aussi bien fonctionné », a-t-il expliqué. « Le nouvel échafaudage comporte des saillies qui pointent les unes vers les autres en triplets, comme des trépieds, qui maintiennent fermement la protéine. »

Les chercheurs ont testé leur échafaudage en tentant de créer des images d’une protéine appelée KRAS. KRAS encourage la prolifération des cellules et est impliqué dans environ 25 % des cancers humains ; cela présente un intérêt particulier pour les chercheurs pharmaceutiques, car l’identification d’emplacements spécifiques sur la protéine qui sont liés à ses capacités cancérigènes pourrait aider les scientifiques à concevoir des médicaments qui neutralisent l’activité à ces emplacements, ce qui pourrait être une voie vers le traitement du cancer.

En utilisant le cryo-EM et l’échafaudage qu’ils ont développé, l’équipe dirigée par l’UCLA a pu observer la structure atomique du KRAS attaché à une molécule médicamenteuse étudiée dans le cadre d’un traitement potentiel contre le cancer du poumon. Leurs travaux ont prouvé que la nouvelle approche cryo-EM échafaudée peut éclairer la manière dont les molécules médicamenteuses se lient aux protéines cellulaires comme KRAS et les inhibent, et pourrait aider à orienter le développement de médicaments plus efficaces.

Les applications potentielles de cette nouvelle avancée ne s’arrêtent pas aux médicaments contre le cancer, a déclaré Castells-Graells.

« Notre échafaudage est modulaire et peut être assemblé dans n’importe quelle configuration pour capturer et contenir toutes sortes de petites molécules protéiques », a-t-il déclaré.