2013

Comment meurent les protéines fluorescentes ?

Les protéines fluorescentes sont des marqueurs largement utilisés en imagerie cellulaire, constituant une boîte à outils extrêmement flexible pour étudier la cellule vivante. Malheureusement, contrairement aux colorants organiques, les protéines fluorescentes sont particulièrement sensibles au phénomène de photoblanchiment, qui se traduit par une extinction définitive de la fluorescence suite à une destruction photoinduite du chromophore. Le photoblanchiment est particulièrement problématique dans les techniques de microscopie super-résolution aujourd’hui en plein développement, limitant la précision des images pouvant être atteinte. En combinant cristallographie cinétique, spectroscopie optique et Raman, modélisation par dynamique moléculaire, spectrométrie de masse, et microscopie super-résolution, nous avons étudié les mécanismes photophysiques conduisant au photoblanchiment de la protéine fluorescente IrisFP. Nous avons montré qu’en fonction de l’intensité lumineuse utilisée pour l’expérience d’imagerie, deux mécanismes complètement différents se manifestent. À basse intensité laser, typique d’une expérience de microscopie standard en champ large, un mécanisme oxygène-dépendant domine. Au contraire, à haute intensité laser, typique des expériences de microscopie super-résolution, un mécanisme redox-dépendant devient prépondérant. Le premier mécanisme, susceptible de générer des espèces réactives de l’oxygène dans la cellule (ROS) serait donc plus cytotoxique que le deuxième mécanisme qui lui, n’en génère pas. Ainsi, ce travail suggère d’une manière contre-intuitive qu’en augmentant l’intensité laser, à dose constante, moins de dommages cellulaires seraient créés. Reste maintenant à vérifier si cette hypothèse se vérifie expérimentalement.

Structural evidence for a two-regime photobleaching mechanism in a reversibly switchable fluorescent protein.
Duan C, Adam V, Byrdin M, Ridard J, Kieffer-Jaquinod S, Morlot C, Arcizet D, Demachy I, Bourgeois D.
J Am Chem Soc. 2013 Oct 23 ;135(42):15841-50. doi : 10.1021/ja406860e. Epub 2013 Oct 7.

Le tempo des ribosomes

Le chemin biologique menant des gènes aux protéines est difficile et fait intervenir de nombreux acteurs. Parmi eux, les ribosomes. Ces assemblages macromoléculaires participent à la dernière étape de fabrication des protéines et sont ainsi essentiels à la survie de nos cellules. L’assemblage complexe des ribosomes est longtemps resté un mystère aux yeux des chercheurs. La combinaison inédite de deux techniques de biologie structurale permet de lever aujourd’hui le voile sur l’ingéniosité dont font preuve nos cellules pour les façonner.
Les ribosomes sont constitués de protéines et d’ARN. Grâce à des expériences de résonance magnétique nucléaire (RMN) et de diffusion de neutrons aux petits angles, les chercheurs ont mis en évidence une des étapes de leur construction, à savoir la structuration de leur ARN. Des étiquettes chimiques (groupements méthyl) viennent tour à tour se greffer sur des sites précis de l’ARN et donnent le signal du repliement. Mais attention au tempo ! Les séquences d’intervention de ces étiquettes sont en effet orchestrées par un complexe dont la structure 3D a été décryptée par les biologistes. Ce complexe forme des paires d’étiquettes et leur donne le feu vert pour agir sur l’ARN. Selon les chercheurs, cette orchestration bien huilée est nécessaire à la fabrication du ribosome et à son bon fonctionnement.
La technique de diffusion aux petits angles, complémentaire de la RMN, a été mise en œuvre à l’ILL par un chercheur de l’IBS. Avec une astuce originale. En effet, les atomes d’hydrogène des molécules observées ont été intelligemment remplacés par des atomes de deutérium, plus lourds, de façon à bien différencier ces molécules de celles du solvant dans laquelle elles baignent.
Outre les résultats inédits sur la construction d’un ribosome, ces expériences ouvrent un nouveau champ d’études pour la biologie structurale. Les techniques de résonance magnétique nucléaire (RMN) et de diffusion de neutrons aux petits angles, rarement associées, s’avèrent complémentaires et efficaces pour explorer les structures d’assemblages moléculaires complexes.

The structure of the box C/D enzyme reveals regulation of RNA methylation.
Lapinaite A, Simon B, Skjaerven L, Rakwalska-Bange M, Gabel F, Carlomagno T.
Nature. 2013 Oct 24 ;502(7472):519-23. doi : 10.1038/nature12581. Epub 2013 Oct 13.

La modélisation des réactions chimiques à l’honneur

Les chimistes créaient autrefois des modèles de molécules à l’aide de boules de plastique et de bâtonnets. Aujourd’hui, la modélisation se fait sur ordinateur, grâce aux travaux de Martin Karplus, Michael Levitt et Arieh Warshel, qui, dans les années 1970, ont posé les bases des programmes puissants qui sont utilisés partout dans le monde pour comprendre et prédire les processus chimiques. Les applications de leurs découvertes sont illimitées, pour la recherche comme pour l’industrie. "La connaissance détaillée des processus chimiques permet d’optimiser les catalyseurs, les médicaments ou les cellules photovoltaïques", relève par exemple l’Académie royale des sciences.

Leurs travaux théoriques portaient sur la dynamique moléculaire en générale et les méthodes hybrides en particulier. Martin Field (IBS/DYNAMOP), alors post-doctorant dans le laboratoire de M.Kaplus, a joué un rôle très important dans le développement initial des méthodes hybrides (méthode QMMM couplant mécanique classique et quantique). Son équipe Dynamo ainsi que Patricia Amara du groupe METALLO poursuivent aujourd’hui ces travaux à l’IBS et continuent d’appliquer ces méthodes afin d’étudier la structure et la fonction des protéines et d’autres macromolécules biologiques, ainsi que leurs complexes respectifs.

Prix de thèse de l’UFR de Chimie et Biologie de l’UJF pour F.X. Gallat

François-Xavier Gallat a gagné le prix de thèse de l’UFR de Chimie et Biologie de l’Université Joseph Fourier, Mention interface Chimie Biologie. Les prix de cet UFR récompensent les doctorants ayant publié leurs travaux de thèse en premier auteur dans des revues prestigieuses. Sa thèse a porté sur l’étude de la dynamique des protéines intrinsèquement dépliées et des nano-hybrides entre protéines et polymères par diffusion neutronique et méthodes complémentaires.
La remise de ce prix aura lieu jeudi 17 octobre lors de la journée Sciences et Métiers de l’UFR de Chimie et Biologie.

Déménagement en cours à l’IBS

Crédit photo : CEA/D. Morel

Alors qu’il comptait moins de 100 personnes à ses débuts, vingt ans plus tard l’IBS réunit environ 240 personnes et se tourne résolument vers l’international en s’installant sur le campus EPN (European Photon and Neutron science).

Les nouveaux locaux d’environ 9500 m2 réalisés dans le cadre du CPER et du Plan Campus permettront l’accueil de nouvelles équipes et aussi de start-ups, et rapprocheront l’IBS de ses partenaires Européens du PSB (Partnership for Structural Biology).

L’ensemble des plateformes développées avec l’apport du programme FRISBI (Investissements d’Avenir) dans le cadre d’Instruct (Réseau Européen de biologie structurale intégrée) sera ainsi localisé sur un seul site et offrira un accès aux spectromètres RMN haut champ, aux microscopes électroniques, ainsi qu’à plusieurs plateformes de production et caractérisation d’échantillons, en complémentarité aux sources de photons et neutrons de l’ESRF et de l’ILL.

Merci de noter notre nouvelle adresse et conditions d’accès :
6 rue Jules Horowitz, 38000 Grenoble - 04 57 42 85 00
L’accès au campus EPN nécessite un avis de rendez-vous. Les visiteurs doivent être munis d’une pièce d’identité.

Le projet de valorisation NMR-Bio récompensé par l’ERC

Les équipes de Jerome Boisbouvier (IBS/NMR) et d’Olivier Hamelin (iRTSV) développent conjointement des solutions technologiques de pointes en marquage isotopique pour repousser les frontières de la RMN Biomoléculaire. Grâce au soutien du CNRS, du CEA et de Grenoble Alpes Innovation, ce consortium grenoblois a pu transformer ses résultats fondamentaux en produits innovants qui sont désormais commercialisés par le CEA (www.nmr-bio.com). Ces équipes viennent de voir leur projet sélectionné par le programme Proof of Concept de l’ERC, en vue de mettre en place une société indépendante valorisant les inventions grenobloises (2 brevets en copropriétés : CEA/CNRS/UJF) sous formes de produits et de services innovants.

NMR-Bio est le troisième projet du groupe de RMN biomoléculaire de l’IBS à être soutenu par l’ERC (après SeeNanoLifeInAction ERC-consolidator obtenu par J. Boisbouvier en 2010 et ProtDyn2Function ERC-Starting grant attribué à Paul Schanda en 2012).

Contact chercheur IBS : Jérome Boisbouvier

Création d’un laboratoire international associé entre la France (Grenoble) et le Brésil (Campinas)

Communiqué de presse

Une convention de création d’un laboratoire international associé (LIA) impliquant du côté français l’IBS et du côté brésilien le LNBio et le CNPEM de Campinas, a été signée. Nommé « BACWALL », ce LIA étudiera l’assemblage et la structure de complexes macromoléculaires qui participent à la synthèse de la paroi bactérienne et à la virulence. Ces travaux pourraient permettre des avancées significatives sur la compréhension de la virulence bactérienne et ainsi développer de nouvelles antibiothérapies.

Mécanismes de survie du pneumocoque

Chez les bactéries, les processus essentiels que sont la division cellulaire et la synthèse de la paroi sont intimement liés pour assurer la viabilité du microorganisme d’une part et maintenir et perpétuer la morphologie de la cellule d’autre part. Un grand nombre de protéines intervenant dans ces processus ont été découvertes mais leurs modes de régulation sont encore mal connus. L’étude de ces derniers est indispensable à la compréhension de mécanismes cellulaires fondamentaux. Au-delà, elle permettrait d’identifier de nouvelles cibles thérapeutiques.
Les chercheurs de l’IBS, en collaboration avec une équipe de l’IBCP6 de Lyon, ont choisi comme modèle d’étude le pneumocoque (Streptococcus pneumoniae), une bactérie responsable de près de 2 millions de décès dans le monde chaque année suite à des infections sévères telles que les pneumonies, les méningites et les septicémies. Ils ont étudié deux protéines impliquées dans la division : la kinase à sérine/thréonine StkP et la Penicillin-Binding-Protein 2X. Cette dernière joue également un rôle dans la synthèse de la paroi du pneumocoque. Par des approches de génétique, de biochimie et d’imagerie cellulaire, les biologistes ont décrypté les mécanismes de l’interaction de ces deux protéines. Cette interaction s’avère essentielle pour maintenir le cycle de division du pneumocoque. Ces informations pourraient être exploitées pour cribler des molécules inhibitrices, ouvrant ainsi la voie au développement de nouveaux antibiotiques.

Interaction of Penicillin-Binding Protein 2x and Ser/Thr protein kinase StkP, two key players in Streptococcus pneumoniae R6 morphogenesis. Morlot C, Bayle L, Jacq M, Fleurie A, Tourcier G, Galisson F, Vernet T, Grangeasse C, Di Guilmi AM. Molecular Microbiology, 2013 Oct ;90(1):88-102

Le Prix Walter Hälg 2013 décerné à Joe Zaccaï

Giuseppe Zaccaï (IBS) vient de remporter le prestigieux prix Hälg Walter pour son travail cohérent et remarquable dans la diffusion des neutrons avec un impact à long terme sur des applications scientifiques et / ou techniques de diffusion de neutrons.
L’European Neutron Scattering Association a souligné son rôle de pionnier dans l’application de la diffusion des neutrons à une série de problèmes biophysiques et biochimiques de la biologie, qui a fourni des indications précieuses dans le débat sur la relation entre la structure, la dynamique moléculaire et la fonction biologique, et également pour son soutien concernant le rôle de la diffusion des neutrons dans la recherche biologique.

Le PSB souffle ses dix bougies

Le 04 juin dernier, les instituts de recherche associés au sein du Partenariat pour la Biologie Structurale (PSB) ont fêté les dix ans de cet institut, aujourd’hui devenu l’un des deux grands centres de la biologie structurale en France.

Communiqué de presse

Photos de l’évènement

Les membres du PSB :

• ESRF – European Synchrotron Radiation Facility
• EMBL – the Grenoble outstation of the European Molecular Biology Laboratory
• ILL – Institut Laue Langevin
• IBS – Institut de Biologie Structurale
• UVHCI – Unit of Virus Host Cell Interactions (UJF-EMBL-CNRS)

Mieux connaître l’immunité innée

Outre sa fonction de reconnaissance des patho-gènes, la protéine C1q a plusieurs rôles. Elle agit entre autres sur la modulation des cellules de l’immunité, la coagulation et sur la pathogenèse de nombreuses maladies incluant les maladies neurodégénératives. Cette molécule très complexe comporte 18 chaînes polypeptidiques de 3 types codées par 3 gènes différents. Elle reste mystérieuse aux yeux des chercheurs. Afin d’étudier C1q, les biologistes ont, pour la première fois, produit la protéine sous forme recombinante, à savoir une forme de laboratoire pouvant être mutée à façon. Ainsi, ils pourront diriger la mutagenèse pour cibler une fonctionnalité spécifique et accéder, in fine, à l’ensemble du panel des fonctionnalités de C1q.
C1q recombinante présente les mêmes caractéristiques physicochimiques et fonctionnelles que la protéine purifiée à partir de sérum humain, notamment sa structure en bouquet de fleurs visible en microscopie électronique. Les chercheurs ont produit ses premiers mutants. Leurs travaux ouvrent la voie au déchiffrage des bases moléculaires des multiples fonctions de C1q en identifiant par mutagenèse dirigée les acides aminés impliqués dans la reconnaissance de ses cibles et la liaison à ses récepteurs.

Expression of recombinant human complement C1q allows identification of the C1r/C1s-binding sites, Bally I, Ancelet S, Moriscot C, Gonnet F, Mantovani A, Daniel R, Schoehn G, Arlaud GJ, Thielens NM. Proc Natl Acad Sci U S A, 2013 May 21 ;110(21):8650-5

Observer les bactéries par RMN pour développer de nouveaux antibiotiques

La paroi cellulaire d’une bactérie est composée d’une coque de polymères permettant, entre autres, la re-connaissance et l’adhérence aux cellules qu’elle va infecter. La RMN du solide est un outil de choix pour l’investigation de cet objet, gros et complexe, car elle ne nécessite pas de cristallisation et permet ainsi de travailler sur des cellules vivantes. Sa sensibilité est cependant limitée. Les chercheurs du groupe NMR de l’IBS et du CEA-iNAC ont utilisé sur la Plateforme de nanocaractérisation PFNC du CEA de Grenoble une technique émergente capable d’augmenter d’un facteur 24 la sensibilité aux signaux RMN des cellules. Il s’agit de la « polarisation dynamique nucléaire » (DNP). En présence des cellules, un agent polarisant se fixe sur les polymères de la paroi et, sous irradiation micro-onde, amplifie sélectivement leur réponse.
Les chercheurs ont testé cette méthode sur la souche bactérienne Bacillus subtilis. Grâce à l’agent polarisant, il a été possible d’augmenter les seuls signaux de la paroi sans qu’ils soient noyés sous les signaux provenant du reste de la cellule. Cette observation sélective de la paroi des bactéries permettra de mieux comprendre les mécanismes d’interaction de ces dernières avec leur environnement et de mettre en place de nouvelles stratégies antibiotiques. Ces travaux ouvrent également des perspectives plus générales sur l’étude des membranes cellulaires.

Solid-State NMR on Bacterial Cells : Selective Cell Wall Signal Enhancement and Resolution Improvement using Dynamic Nuclear Polarization. Hiroki Takahashi, Isabel Ayala, Michel Bardet, Gaël De Paëpe, Jean-Pierre Simorre, and Sabine Hediger. J Am Chem Soc. 2013 Feb 12

Des virus pour protéger les plantes des bactéries

Les virus ne sont pas toujours nos ennemis. Certains sont en effet bactériophages (ils infectent les bactéries) et sont ainsi des agents potentiels pour réguler la contamination de cultures vivrières. Les phages « Jumbo » viennent récemment de rejoindre la liste des 108 espèces de virus bactériophages déjà recensés,
mais ils restent largement méconnus. Leur structure générale ressemble à un module
d’atterrissage lunaire avec une tête, une queue et des fibres partant de l’extrémité de cette queue. Les chercheurs ont étudié un virus ayant comme hôte une bactérie infectant les plants de tomate. Ils ont observé la structure de ce phage à l’aide d’un microscope électronique Polara et ont obtenu des reconstructions tridimensionnelles (3D) de sa tête et de sa queue hélicoïdale à une précision de 9 Å5.
Ce travail démontre une nouvelle fois que le monde des bactériophages est extrêmement complexe. Chacun d’eux a évolué séparément pour adapter sa structure à son environnement particulier. Par exemple, la tête du phage « Jumbo » est totalement recouverte par une première couche de protéines stabilisatrices, probablement pour la rigidifier, et par une deuxième couche de protéines de décoration qui permettrait une meilleure dissémination des virus en s’attachant à toutes sortes de substrats véhiculés par le vent. En outre, la structure 3D du tube interne de la queue du phage montre suffisamment de détails pour confirmer que la protéine qui la constitue peut se lier à des protéines bactériennes impliquées dans la
sécrétion de toxines.

Cryo-electron microscopy three-dimensional structure of the jumbo phage ΦRSL1 infecting the phytopathogen Ralstonia solanacearum. Effantin G, Hamasaki R, Kawasaki T, Bacia M, Moriscot C, Weissenhorn W, Yamada T, Schoehn G. Structure, 2013 Feb 5 ;21(2):298-305

Facteurs de la tolérance à l’oxygène des hydrogénases ancrées dans la membrane

Dans la plupart des hydrogénases à NiFe, le site actif bimétallique est endommagé par l’oxygène (O₂). Mais il existe une sous classe d’hydrogénases exceptionnellement tolérantes à O₂ qui peuvent oxyder l’hydrogène (H₂) à l’air. En collaboration avec le groupe du Pr. Armstrong de l’Université d’Oxford, le groupe Métalloprotéines a résolu la structure cristallographique de l’hydrogénase 1 (Hyd-1) d’Escherichia coli, en complexe avec le cytochrome b, son partenaire physiologique (1). La tolérance à l’oxygène d’Hyd-1 semble résulter de deux caractéristiques particulières de cette protéine : i) la présence d’un nouveau type d’agrégat [4Fe3S]6Cys avec une géométrie déformée ; des calculs effectués en collaboration avec le Dr. Mouesca (CEA/INAC) montrent que cette plasticité permet une super-oxydation à un bas potentiel rédox (2) et ii) la structure en dimère permet, grâce à un mécanisme coopératif de réparation, de réduire O₂ en eau en utilisant les électrons produits au site actif du monomère encore fonctionnel (1). Ces études devraient aider à la conception de catalyseurs à H2 avec des performances accrues en milieu oxydant.

1. Crystal structure of the O₂-tolerant membrane-bound hydrogenase 1 from Escherichia coli in complex with its cognate cytochrome b. Volbeda A, Darnault C, Parkin A, Sargent F, Armstrong FA and Fontecilla-Camps JC, Structure, 21 : 184-190 (2013).
2. The structural plasticity of the proximal [4Fe3S] cluster is responsible of O₂ tolerance of membrane-bound [NiFe] hydrogenases. Mouesca JM, Fontecilla-Camps JC and Amara P, Angew. Chem. Int. Ed., DOI : 10.1002/anie.201209063.

Création de l’UMS « Integrated structural biology, Grenoble »

Evolution de la biologie structurale intégrée au niveau grenoblois et européen
Le nouveau défi de la biologie structurale est de comprendre les processus biologiques au niveau moléculaire dans un contexte cellulaire ou même plus large. Pour ce faire, la biologie structurale intégrée repose sur un ensemble d’approches expérimentales de hautes technologies et nécessite donc de l’instrumentation parfois coûteuse (rayonnement synchrotron, RMN haut-champ, cryo-tomographie électronique) ainsi que d’expertises multidisciplinaires (biologie, physique, chimie) allant de la production d’échantillons à leur caractérisation (structure, assemblage et architecture, dynamique, fonction, interactions, …). Grâce à la présence des grands instruments, Grenoble a été pionnière dans ces approches et a mis en place dès 2002 un partenariat, le PSB (Partnership for Structural Biology) reliant les équipes de recherche de l’ESRF, l’ILL, l’EMBL et l’IBS, rejointes plus récemment par celles de l’UVHCI [1]. Cette première étape a permis une mutualisation des moyens et de nouveaux développements concertés.

De façon générale, il est maintenant admis que la biologie nécessite l’équivalent de grands instruments souvent composés d’un ensemble de plates-formes. L’initiative Européenne ESFRI vise à mettre en place de telles infrastructures. Dans ce cadre, le projet Instruct (Integrating Structural Biology) démarré en 2011, définit 15 centres de référence pour la biologie structurale intégrée en Europe et 5 centres affiliés. Grenoble, et plus particulièrement l’ensemble des deux unités françaises du PSB (IBS et UVHCI), constitue un des grands centres de référence d’Instruct.

Le projet FRISBI (French Infrastructure for Integrated Structural Biology) rassemblant les deux centres Instruct de France (Grenoble et Strasbourg) ainsi que trois autres centres de biologie structurale d’importance nationale, a été sélectionné dans le cadre du programme “Investissement d’Avenir”. Grenoble a ainsi reçu 11.2 M€ pour financer des améliorations majeures sur la plupart des plates-formes du PSB, notamment l’achat de nouveaux spectromètres RMN et microscopes électroniques.

Les missions de la nouvelle UMS
Le fonctionnement concerté du PSB, suffisant pour une mutualisation locale des plates-formes, nécessitait d’être formalisé pour répondre aux attentes de la communauté scientifique. Les contours des plates-formes, le personnel associé, les modes d’ouverture et les types de prestation pour chaque plate-forme, ainsi que les conditions d’accès (sélection des projets, coûts, encadrement …) ont été précisés pour les différents utilisateurs. L’ensemble des plates-formes technologiques de l’IBS a ainsi obtenu en juillet 2011 la certification ISO 9001 pour leurs activités de production et purification de protéines, la caractérisation de leur structure et de leurs propriétés biophysiques, dynamiques et d’assemblage par RX, RMN et microscopies.

Darren Hart (EMBL) a été nommé directeur de la nouvelle Unité Mixte de Service. Il est assisté par Yvette Gaude pour l’administration financière. La gouvernance de l’UMS impliquera les directions de l’IBS et de l’UVHCI au sein d’un comité de pilotage local. La grande majorité du personnel scientifique et technique travaillant sur les plates-formes conservera un rattachement aux équipes de recherche de l’IBS et de l’UVHCI afin de permettre la meilleure interaction possible entre plate-forme et recherche. Les outils présents au jour de la création de l’UMS évolueront ainsi en fonction des besoins des projets scientifiques et l’UMS assurera durablement le fonctionnement des plates-formes en garantissant un accès optimum à tous types d’utilisateurs.