image: Petr Skopintsev (left), Jörg Standfuss (centre) and Christopher Milne (right) at the Alvra experimental station at the X-ray free-electron laser SwissFEL view more
Credit: Paul Scherer Institute/Mahir Dzambegovic
Des chercheurs de lInstitut Paul Scherrer PSI ont réussi une première: réaliser des prises de vue dune pompe à sodium en action, plus précisément dune pompe à sodium sensible à la lumière, provenant de cellules bactériennes. Ces éléments de connaissance sont prometteurs pour le développement de nouvelles méthodes dans le domaine de la neurobiologie. Pour leurs analyses, les chercheurs ont utilisé le nouveau laser à électrons libres émettant des rayons X, le SwissFEL. Ils publient aujourdhui leurs résultats dans la revue spécialisée Nature.
Le sodium, que contient aussi le sel de cuisine conventionnel, joue un rôle essentiel pour certains processus vitaux de la plupart des cellules biologiques. Ainsi, nombre de cellules forment un gradient de concentration entre lintérieur et leur environnement. A cet effet, des pompes spéciales situées dans la membrane cellulaire évacuent du sodium hors de la cellule. Cest ce gradient de concentration qui permet par exemple aux cellules de lintestin grêle ou aux cellules des reins dabsorber certains sucres.
Ces pompes à sodium sont présentes aussi dans les membranes de certaines bactéries. Elles font partie dune famille de protéines appelée rhodopsine. Il sagit de protéines spéciales qui sont activées par la lumière et transportent le sodium hors de la cellule, par exemple chez des bactéries marines comme Krokinobacter eikastus. Le composant déterminant de la rhodopsine est ce quon appelle le rétinal, une forme de la vitamine A. Son importance est cruciale pour les êtres humains, les animaux et de nombreuses bactéries. Dans la rétine de lil humain, par exemple, cest le rétinal qui déclenche le processus de la vision lorsquil change de forme sous linfluence de la lumière.
Prises de vue ultrarapides
Des chercheurs de lInstitut Paul Scherrer PSI viennent de réussir à réaliser des prises de vue de la pompe à sodium de Krokinobacter eikastus en action et, ce faisant, à documenter les modifications moléculaires qui sont nécessaires au transport de sodium. Pour ce faire, ils ont utilisé une méthode appelée cristallographie sérielle à l'échelle de la femtoseconde. Une femtoseconde équivaut à un millionième de milliardième de seconde et une milliseconde équivaut à un millième de seconde. Le principe est le suivant: léchantillon à analyser en loccurrence une pompe à sodium cristallisée est touché de manière décalée, dabord par un faisceau laser et ensuite par un faisceau de rayons X. Dans le cas de la rhodopsine bactérienne, le laser active le rétinal et le faisceau de rayons X qui lui succède fournit des données sur les modifications structurales qui se jouent dans toute la molécule protéique. Le fait que le SwissFEL produise 100 de ces impulsions, de l'ordre de la femtoseconde, de rayons X par seconde permet de réaliser des images à haute résolution temporelle. «Au PSI, seul le SwissFEL nous donne la possibilité dobtenir une résolution temporelle de lordre de la femtoseconde, explique Christopher Milne, qui a codéveloppé la station expérimentale Alvra où les prises de vue ont été réalisées. Lun des défis était de réussir à injecter les cristaux dans le dispositif expérimental de telle manière que les impulsions du laser et des rayons X les rencontrent très précisément.»
Pompe en action
Dans lessai actuel, les intervalles temporels entre le faisceau laser et le faisceau de rayons X étaient compris entre 800 femtosecondes et 20 millisecondes. Chaque impulsion de rayons X génère une image individuelle dun cristal de protéine. De la même manière quun film se compose dun grand nombre dimages individuelles qui sont mises bout à bout et ensuite lues à grande vitesse, les différentes images obtenues grâce au SwissFEL peuvent elles aussi être assemblées pour former une espèce de film.
«Le processus que nous avons réussi à observer avec notre expérience correspond au transport dun ion de sodium à travers la membrane cellulaire et dure 20 millisecondes environ, explique Jörg Standfuss, qui dirige le groupe de recherche de Cristallographie à résolution temporelle dans la division de recherche de Biologie et Chimie au PSI. Outre lélucidation du processus de transport, nous avons réussi à mettre en évidence les petites modifications dans la structure de la pompe à sodium qui déterminent sa spécificité pour le sodium.» Cette spécificité garantit que seuls les ions de sodium sont transportés, et non dautres ions chargés positivement. Avec leurs analyses, les chercheurs ont par ailleurs révélé les modifications moléculaires par le biais desquelles la pompe empêchait les ions de sodium acheminés hors de la cellule de refluer à nouveau vers lintérieur de cette dernière.
Progrès dans les domaines de loptogénétique et de la neurobiologie
Les différences de concentration de sodium jouent également un rôle particulier dans la transmission de linflux nerveux et les neurones possèdent eux aussi de puissantes pompes à sodium dans leur membrane. Il y a transmission dun stimulus lorsque le flux de sodium vers lintérieur de la cellule augmente. Puis les pompes évacuent à nouveau lexcédent de sodium vers lextérieur.
Comme la pompe à sodium de Krokinobacter eikastus est contrôlée par la lumière, les chercheurs sont à présent en mesure de lutiliser dans un domaine appelé optogénétique. Cette technologie permet de modifier génétiquement des cellules en loccurrence des cellules nerveuses de telle sorte quelles soient contrôlables par la lumière. Il sagit dinsérer la pompe dans des cellules nerveuses par recours à des méthodes de génétique moléculaire. Une fois que la pompe est activée par la lumière, le neurone ne peut plus, par exemple, transmettre de stimulus: il faudrait pour cela que la concentration de sodium augmente dans la cellule nerveuse, mais la rhodopsine bactérienne len empêche en évacuant le sodium hors de la cellule de manière ininterrompue. Autrement dit, des pompes à sodium actives, inactivent un neurone.
«Si nous comprenons ce qui se passe précisément dans la pompe à sodium de la bactérie, cela peut nous aider à améliorer les expériences dans le domaine de loptogénétique, relève Petr Skopintsev, doctorant dans le groupe de recherche de Cristallographie à résolution temporelle. Cela permet par exemple didentifier des variantes de la rhodopsine bactérienne qui travaillent de manière plus efficace que la forme que lon trouve communément dans Krokinobacter.» Par ailleurs, les chercheurs espèrent obtenir des éléments de connaissance sur la manière dont certaines mutations peuvent modifier les pompes à sodium de telle sorte que ces dernières transportent dautres ions que le sodium.
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Les chercheurs publient aujourdhui leurs résultats dans la revue spécialisée Nature.
Texte: Institut Paul Scherrer/Sebastian Jutzi
A propos du PSI
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Contact
Dr Jörg Standfuss
Chef du groupe de recherche de Cristallographie à résolution temporelle
Institut Paul Scherrer, Forschungsstrasse 111, 5232 Villigen PSI, Suisse
Téléphone: +41 56 310 25 86, e-mail: joerg.standfuss@psi.ch [allemand, anglais]
Publication originale<
Femtosecond to millisecond structural changes in a light-driven sodium pump
Petr Skopintsev et al.
Nature, 20 mai 2020
DOI: 10.1038/s41586-020-2307-8
Journal
Nature