Institut de Biologie StructuraleGrenoble / France

2020

Etudes structurales et fonctionnelles de nouvelles rhodopsines microbiennes

Les rhodopsines microbiennes constituent une superfamille vaste et diversifiée de protéines membranaires photosensibles. Elles jouent un rôle majeur dans la capture de l’énergie solaire dans la mer et utilisent cette énergie pour effectuer la translocation d’ions à travers la membrane plasmique ou contrôler divers processus sensoriels ou enzymatiques. Les rhodopsines microbiennes ont également trouvé des applications essentielles en médecine dans le domaine des neurosciences, étant au cœur de l’optogénétique - la biotechnologie pour le contrôle optique des cellules et des tissus vivants. Le groupe Transport Membranaire de l’IBS étudie les propriétés fonctionnelles et structurales de nouvelles familles de rhodopsines. Récemment, les chercheurs ont obtenu les premières informations à haute résolution sur la famille des héliorhodopsines (1), démontrant que ces protéines sont probablement des photoenzymes uniques à l’architecture inhabituelle. Ensuite, ils ont déterminé le mécanisme moléculaire d’une pompe à sodium controlée par la lumière en résolvant la structure de la rhodopsine KR2 dans son état actif (2). Enfin, ils ont caractérisé deux membres du groupe 1 des rhodopsines virales (3). Ils ont montré qu’il s’agit de canaux sélectifs Na+/K+ activés par la lumière et inhibés par le Ca2+. Ils ont également résolu la structure de l’un d’entre eux à 1,4 Å. Leurs études ont donc révélé les caractéristiques fonctionnelles et mécaniques de clades distincts de rhodopsines microbiennes et apportent une base solide pour des recherches plus approfondies sur cette superfamille en expansion.

(1) High Resolution Structural Insights into the Heliorhodopsin Family. Kovalev K., Volkov D, Astashkin R, Alekseev A, Gushchin I, Haro-Moreno JM, Rogachev A, Balandin T, Borshchevskiy V, Popov A, Bourenkov G, Bamberg E, Rodriguez-Valera F, Bueldt G, Gordeliy V. Nature Communications 2020 Feb 25 ;11:2137.

(2) Molecular mechanism of light-driven sodium pumping. Kovalev K, Astashkin R, Gushchin I, Orekhov P, Volkov D, Zinovev E, Marin E, Rulev M, Alekseev A, Royant A, Carpentier P, Vaganova S, Zabelskii D, Baeken C, Sergeev I, Balandin T, Bourenkov G, Carpena X, Boer R, Maliar N, Borshchevskiy V, Bueldt G, Bamberg E, Gordeliy V. Nature Communications 2020 May 1 ; 11:2137.

(3) Viral Rhodopsins 1 : A Unique Family of Light-Gated Ion Channels. Zabelskii D, Alekseev A, Kovalev K, Rankovic V, Balandin T, Soloviov D, Bratanov D, Savelyeva E, Podolyak E, Volkov D, Vaganova S, Astashkin R, Chizhov I, Yutin N, Rulev M, Popov A, Eria-Oliveira AS, Rokitskaya T, Mager T, Antonenko Y, Rosselli R, Armeev G, Shaitan K, Vivaudou M, Büldt G, Rodriguez-Valera F, Kirpichnikov M, Moser T, Koonin E, Offenhäusser A, Bamberg E, Gordeliy V. Nature Communications 2020 Nov 11 2020 ;11(1):5707.

Contact : Valentin Gordeliy, chercheur CEA de l’IBS (Groupe Tansporteurs Membranaires)

Paul Schanda, lauréat du prix Varian Young Investigator Award de l’EUROMAR

Le comité EUROMAR a décerné le prix Varian Young Investigator à Paul Schanda (IBS/NMR). Ce prix prestigieux a été créé à l’honneur de Russel Varian, pionnier de la spectroscopie RMN, pour reconnaître les contributions exceptionnelles dans le domaine du développement de la résonance magnétique.
Le prix salue notamment les développements méthodologiques de Paul Schanda pour caractériser la dynamique et la structure des protéines à l’état solide et liquide. Certaines méthodes développées par son équipe sont très répandues pour suivre, par exemple, les processus cinétiques des protéines, ou détecter des états conformationnels transitoires (détails).
Paul Schanda a également reçu, il y a quelques semaines, la médaille des fondateurs de l’ICMRBS qui salue les contributions exceptionnelles de jeunes scientifiques au développement de la résonance magnétique dans les systèmes biologiques.

L’IBS s’organise face à l’évolution du contexte sanitaire

Nos activités sont maintenues sous réserve d’ajustements organisationnels : la vie de nos laboratoires se poursuit mais le télétravail est privilégié pour ceux dont les activités le permettent.
Pour les personnes en télétravail, qui restent joignables par mail ou téléphone, une présence temporaire et par rotation est mise en place au sein des équipes pour assurer un fonctionnement efficace des collectifs de travail.
Pour les personnes en présentiel, la réduction des interactions sociales et le respect des consignes sanitaires et des gestes barrière sont la règle.
Enfin les évènements scientifiques de type réunion, séminaires ou ateliers se poursuivent par visioconférence.

SARS-CoV-2 : découverte d’un mécanisme de transmission inédit

La glycoprotéine S, présente à la surface du Coronavirus SARS-CoV-2, permet l’entrée du virus dans les cellules humaines via son interaction avec un récepteur, l’enzyme ACE2, présent à la surface des cellules infectées. L’équipe de F. Fieschi du groupe M&P, à laquelle sont associés des membres des groupes IRPAS et MEM et des groupes espagnol et italien, vient de mettre en évidence que des récepteurs lectines (DC-SIGN, L-SIGN , MGL et Langerin) de cellules immunitaires sont également capables de reconnaitre la protéine S du SARS-CoV-2. Cette interaction implique une reconnaissance multi-site de la protéine S en exploitant les différents glycanes (sucres) de surface de la protéine S. Ils ont montré que cette interaction ne permet pas d’induire l’infection directe des cellules (infection cis) par le SARS-CoV-2. Par contre, parmi ces récepteurs, DC-SIGN et L-SIGN sont capables après capture de transmettre le virus à des cellules permissives possédant ACE2 (infection en trans). C’est donc un nouveau mode de transmission, dans le processus global d’infection, que ces chercheurs mettent en avant dans une publication déposée sur le site de preprint BioRxiv et qui est actuellement en cours d’évaluation par un journal à comité de lecture. Ils ont également montré qu’il est possible d’inhiber ce nouveau mode de transmission du virus par l’utilisation de glycomimétiques précédemment développés à l’IBS.

DC/L-SIGN recognition of spike glycoprotein promotes SARS-CoV-2 trans-infection and can be inhibited by a glycomimetic antagonist. Thépaut M, Luczkowiak J, Vivès C, Labiod N, Bally I, Lasala F, Grimoire Y, Fenel D, Sattin S, Thielens N, Schoehn G, Bernardi A, Delgado R, Fieschi F. doi : https://doi.org/10.1101/2020.08.09.242917

Contact : Franck Fieschi, professeur UGA rattaché à l’IBS (Groupe Membrane et pathogènes)

Structure d’une enzyme clé de la réplication d’un virus pathogène humain visualisée en action par cryo-ME

Les Bunyavirales sont un ordre de virus à ARN simple brin de polarité négative segmenté comprenant plusieurs agents pathogènes humains potentiellement mortels contre lesquels il n’existe actuellement aucun traitement (virus La Crosse, virus Hantaan, virus Crimée Congo, virus Lassa). La réplication et la transcription de leur génome constituent des réactions essentielles au cycle viral et sont catalysées par une enzyme virale clé : l’ARN-polymérase ARN-dépendante.
Le groupe MEM de l’IBS, en collaboration avec le groupe du Dr. Cusack de l’EMBL Grenoble, décrit ici la structure de l’ARN-polymérase complète du virus La Crosse obtenue par cryo-microscopie électronique à 3 Å de résolution, grâce à des données collectées sur les cryo-microscopes Glacios de l’IBS et Krios de l’ESRF. Cette structure révèle la position et l’organisation de la partie C-terminale de l’ARN-polymérase qui comprend notamment le domaine de liaison de l’ARN coiffé nécessaire à l’initiation de la transcription. Deux états ont pu être visualisés, la pré-initiation et l’élongation. Cela a notamment permis de mettre en évidence des changements de conformation nécessaires à la formation d’un ARN double-brin comprenant 10 paires de bases dans la cavité du site actif lors de l’élongation.
Les détails structuraux et la dynamique des éléments fonctionnels identifiés sont importants pour comprendre le fonctionnement de cette enzyme et pourront être déterminants pour le développement futur d’inhibiteurs ciblant l’ARN-polymérase.

Pre-initiation and elongation structures of full-length La Crosse virus polymerase reveal functionally important conformational change. Benoît Arragain, Grégory Effantin, Piotr Gerlach , Juan Reguera , Guy Schoehn, Stephen Cusack, Hélène Malet. Nature Communications 2020 ;11(1):3590. doi : 10.1038/s41467-020-17349-4.

Contact : Hélène Malet, chercheuse UGA de l’IBS (Groupe Microscopie Electronique et Méthodes)

Suivre l’agrégation des protéines en temps réel par spectroscopie neutronique

L’agrégation des protéines en superstructures amyloïdes constitue la manifestation moléculaire d’une grande variété de maladies neurodégénératives telles que Alzheimer ou Parkinson. Il devient de plus en plus évident que des oligomères apparaissant au début de l’agrégation sont les véritables espèces toxiques, rendant ainsi les mesures résolues en temps particulièrement importantes. Bien que plusieurs méthodes résolues en temps ont été développées and appliquées pour l’étude de l’agrégation des protéines, des méthodes donnant accès à la diffusion du centre de masse et à la dynamique interne restent manquantes. Cependant, il est postulé que les changements de dynamique des protéines jouent un rôle essentiel dans l’agrégation des protéines.
Des scientifiques de l’Institut Laue-Langevin, de l’Institut de Biologie Structurale et de l’Université de Copenhague ont développé une version résolue en temps de la diffusion incohérente des neutrons sur IN16B pour suivre l’agrégation des protéines et l’ont appliqué pour étudier l’assemblage du lysozyme en ‘particulates’ en solution aqueuse. Contrairement aux attentes, la dynamique interne de la protéine sur une échelle de temps de la nano- à la picoseconde reste constante durant toute l’expérience. En revanche, la diffusion du centre de masse décroit durant le processus d’agrégation et s’explique très bien à l’aide d’une mono-exponentielle. En complémentant le résultat de neutronique par des mesures de fluorescence, de microscopie électronique, de spectroscopie infrarouge, de diffraction des rayons X en poudre et de diffusion dynamique de la lumière, une description exhaustive est proposée dans laquelle la formation de ‘particulates’ de lysozyme est un processus en une seule étape qui n’affecte pas la dynamique de la chaîne principale et des chaînes latérales de la protéine durant toute l’agrégation.
Ce travail établit une méthode d’étude pour suivre l’agrégation des protéines de manière quantitative en temps réel et au niveau moléculaire, donnant un accès simultané à la diffusion du centre de masse et à la dynamique interne, ce qui sera d’une grande aide pour répondre aux problèmes des trajectoires d’agrégation pathologiques des protéines. Cette méthode d’étude n’est pas limitée aux protéines, mais peut être appliquée aux molécules en général pour étudier une large variété de processus telles que l’auto-assemblage et l’émergence d’agrégats et de cristaux.

Tracking Internal and Global Diffusive Dynamics During Protein Aggregation by High-Resolution Neutron Spectroscopy. Pounot K, Chaaban H, Foderà V, Schirò G, Weik M, Seydel T. J.Phys.Chem.Lett. 11, 15 (2020)

Contact : Martin Weik, chercheur CEA de l’IBS (Groupe Dynamique et Cinétique des processus moléculaires)

Hélène Malet est nommée membre Junior de l’Institut Universitaire de France

Hélène Malet, Maître de Conférences à l’Université Grenoble Alpes et chercheur dans l’équipe du Dr Guy Schoehn au sein du groupe de Microscopie Électronique et Méthodes de l’IBS, est nommée membre Junior de l’Institut Universitaire de France (IUF*) à compter du 1er octobre 2020, pour une durée de 5 ans.

La réplication et la transcription virale sont des étapes clés du cycle viral. Hélène Malet analyse la structure des protéines virales impliquées dans le fonctionnement de ces processus, notamment les polymérases virales. Pendant sa thèse, effectuée sous la direction du Dr. Bruno Canard à l’AFMB, Marseille, elle a caractérisé par cristallographie aux rayons X une structure de polymérase de la famille des Flaviviridae, à laquelle appartient le virus de la Dengue. Puis, souhaitant apprendre une méthode complémentaire de biologie structurale, elle a effectué un post-doctorat en microscopie électronique au sein du laboratoire du Pr. Helen Saibil à Birkbeck College, Londres. Depuis, elle combine son intérêt pour la microscopie électronique et la réplication virale. Elle a ainsi réalisé un post-doctorat portant sur l’analyse structurale de la polymérase des Peribunyaviridae dans le groupe du Dr. Stephen Cusack à l’EMBL Grenoble, avant d’être recrutée en tant que Maître de Conférences UGA à l’IBS dans l’équipe du Dr. Guy Schoehn au sein du groupe de Microscopie Électronique et Méthodes.

Son projet de recherche porte sur l’analyse structurale et fonctionnelle de la réplication de bunyavirus, un ordre viral comportant de nombreux virus humains fortement pathogènes contre lesquels aucun médicament ni vaccin n’est disponible. Les dernières avancées en microscopie électronique et la présence de microscopes électroniques de pointe à l’IBS et à l’ESRF permettent de déterminer des structures à hautes résolutions de ces enzymes essentielles et ainsi de mieux comprendre leur fonctionnement, une étape clé dans le développement futur d’anti-viraux. A plus long terme, ce projet vise à comprendre les mécanismes d’interactions entre protéines virales et protéines de l’hôte impliquées dans la régulation de la réplication virale, alliant microscopie électronique de particules isolées à haute résolution et microscopie électronique cellulaire, permettant une vision intégrative de ces processus. Ce projet est soutenu financièrement par l’ANR (HiPathBunya) et utilisera de manière extensive les plateformes technologiques de l’IBS gérées par l’ISBG et subventionnées par FRISBI et Gral. La nomination à l’IUF lui permettra de consacrer plus de temps à ce projet.

* L’Institut universitaire de France (IUF) regroupe un ensemble d’enseignants-chercheurs sélectionnés par un jury international pour la qualité exceptionnelle de leurs recherches. Le nombre de postes ouvert chaque année est fixé à 110 : 40 membres seniors (enseignants-chercheurs dont la qualité des recherches est reconnue internationalement) et 70 membres juniors (jeunes enseignants-chercheurs de moins de 40 ans au moment de leur désignation qui sont dans une phase de création). Environ 2 % du total des enseignants-chercheurs en poste dans les universités françaises ont bénéficié ou bénéficient du statut de membres de l’Institut Universitaire de France, ce qui leur permet de disposer d’une décharge à hauteur de deux tiers de leurs charges d’enseignement, d’une prime et d’une dotation budgétaire.

Regard moléculaire sur la transmission de la grippe aviaire à l’Homme

​En recourant à une méthode RMN, les chercheurs de l’IBS, en collaboration avec l’EMBL Grenoble, ont révélé les mécanismes moléculaires qui permettent au virus de la grippe aviaire de s’adapter de l’oiseau à l’Homme.
Chez l’oiseau, le virus de la grippe aviaire agit via l’interaction de sa polymérase avec un facteur de transcription clé : ANP32A. Sans que cette interaction soit bien connue, deux régions de ces molécules, très dynamiques, semblaient être particulièrement impliquées. Cette connaissance incomplète empêchait toutefois les chercheurs de comprendre comment certaines mutations de la polymérase virale lui permettait de s’adapter de l’oiseau à l’Homme, et acquérir ainsi une capacité de contagion inter-espèce. Ces régions moléculaires, très dynamiques [1], ne forment ni structures uniques, ni ne se cristallisent, compliquant leur étude.
Par la RMN, les chercheurs du groupe XXX sont parvenus à décrypter ces mécanismes : chez l’oiseau, la région dite « domaine 627-NLS » de la polymérase virale se fixe à une zone bien spécifique, impliquant un motif unique aviaire, du facteur de transcription ANP32A. Toutefois, ce motif n’existe pas dans la version humaine du facteur de transcription - la polymérase virale n’a donc plus son port d’attache. Néanmoins des mutations changent la configuration de la polymérase : une mutation particulière de son domaine 627 permet à la polymérase d’interagir avec toute la zone « modifiée » de la version humaine, sous la forme d’interactions certes moins spécifiques mais plus nombreuses - un peu à la manière du velcro. Le virus acquiert alors la possibilité d’infecter un nouvel hôte : l’Homme, pouvant ainsi se transmettre d’une espèce à une autre.
Cette étude fournit un cadre moléculaire pour comprendre les modes de liaison différentiels qui sous-tendent la restriction de la polymérase de la grippe par l’ANP32A chez certaines espèces et permettra d’identifier de nouvelles cibles pour l’inhibition de la grippe.

Molecular basis of host-adaptation interactions between influenza virus polymerase PB2 subunit and ANP32A. Zarco AC, Kalayil S, Maurin D, Salvi N, Delaforge E, Milles S, Jensen MR, Hart DJ, Cusack S, Blackledge M. Nature Communications ; 2020 Jul 21 ;11(1):3656

Contact : Martin Blackledge, chercheur CEA de l’IBS (Groupe Flexibilité et Dynamique des Protéines par RMN)

Cristallisation des protéines sur puce microfluidique pour des études de diffraction in situ aux rayons X

En mettant au point un procédé de microfabrication permettant l’intégration d’une membrane de dialyse en cellulose régénérée entre deux couches d’une micropuce en résine photodurcissable, les chercheurs du Groupe Synchrotron de l’IBS, en collaboration avec le Laboratoire du Future (LOF) de Bordeaux, ont proposé un moyen robuste et peu coûteux de fabriquer des puces microfluidiques polyvalentes. Elles couvrent l’ensemble du processus, de la croissance des cristaux sur puce avec les propriétés souhaitées (taille, nombre, qualité cristalline) par la méthode de micro-dialyse, jusqu’aux expériences de diffraction aux rayons X in situ sur plusieurs cristaux isomorphes. Aucune manipulation des cristaux de protéine, préalable à l’expérience de diffraction, n’est nécessaire. La collecte de données cristallographiques effectuée à température ambiante permet d’aboutir à la résolution de la structure tridimensionnelle des protéines étudiées, avec un bruit de fond largement inférieur à celui généré par des plaques de cristallisation commerciales utilisées pour des expériences de diffraction in situ dans les mêmes conditions expérimentales. Les résultats obtenus à l’aide des micropuces ainsi développées permettent d’envisager à l’avenir d’investiguer la structure des protéines d’une manière dynamique (ou dans des conditions d’échantillonnage contrôlées dynamiquement) par la cristallographie sérielle sur synchrotrons et laser X à électrons libres (XFEL).

A microfluidic device for both on-chip dialysis protein crystallization and in situ X-ray diffraction. Junius N, Jaho S, Sallaz-Damaz Y, Borel F, Salmon JB, Budayova-Spano M. Lab on a Chip ; 20(2):296-310

Contact : Monika Budayova-Spano, chercheuse UGA de l’IBS (Groupe Synchrotron)

Comment une bactérie s’emmitoufle pour passer inaperçue et augmenter sa virulence

La capsule de la bactérie Streptococcus pneumoniae est son facteur de virulence dominant car elle affecte de multiples interactions avec l’hôte, notamment en contribuant à la colonisation de l’organisme et à l’échappement au système immunitaire de l’hôte. Au cours de l’infection, l’épaisseur de la capsule varie, mais les mécanismes de régulation étaient jusqu’à présent mal compris. Des chercheurs de l’IBS, en collaboration avec des équipes de UCL Medical School et l’Université St Georges de Londres ainsi que l’Université de Leicester ont identifié une relation jusque-là insoupçonnée entre la mutation de adcAII, un gène qui code pour une lipoprotéine d’import du zinc, et l’épaisseur de la capsule. La mutation de adcAII a généré un phénotype hyperencapsulé conduisant à une résistance accrue de S. pneumoniae à la destruction par les globules blancs type neutrophiles et à une augmentation de la virulence chez la souris, 50% d’entre elles ne survivant pas plus de 24h après l’infection. De plus, leurs données fournissent des preuves supplémentaires de l’importance du système de modification de restriction pour moduler l’épaisseur de la capsule, et ont permis d’identifier un lien inattendu entre l’épaisseur de la capsule et le mutant ∆adcAII, dont l’étude ultérieure permettrait de caractériser davantage le mécanisme de régulation de la capsule.

Deletion of the zinc transporter lipoprotein AdcAII causes hyperencapsulation of Streptococcus pneumoniae associated with distinct alleles of the Type I restriction modification system. Claire Durmort, Giuseppe Ercoli, Elisa Ramos-Sevillano, Suneeta Chimalapati, Richard D. Haigh, Megan De Ste Croix, Katherine Gould, Jason Hinds, Yann Guerardel, Thierry Vernet, Marco Oggioni, and Jeremy S Brown. Mbio ; 11, 2 e00445-20

Contact : Claire Durmort, chercheuse UGA de l’IBS (Groupe Pneumoccoque)

Les protéines fluorescentes dansent dans le noir

La possibilité de convertir des protéines fluorescentes photoconvertibles (PCFPs) d’un état vert à un état rouge est largement utilisée en microscopie de localisation de molécules uniques. Cependant, l’imagerie de molécules uniques est fortement perturbée par le "clignotement" (c’est-à-dire la perte transitoire de fluorescence), qui résulte du passage de PCFPs individuelles vers des "états noirs". Le clignotement a généralement été décrit à partir de l’état rouge, mais dans cet article, les chercheurs se sont intéressés aux clignotement à partir de l’état vert.
Dans le cadre d’une collaboration entre le groupe DYNAMOP de l’IBS, l’Université KU Leuven (Belgique) et l’Université Paris-Saclay, les chercheurs ont étudié la formation d’états noirs chez mEos4b vert, une PCFP largement utilisée, en utilisant la spectroscopie UV-VIS et Raman, la cristallographie aux rayons X et les simulations MD. Ils ont découvert que la formation d’un état noir majeur provient de l’isomérisation cis-trans du chromophore, de manière similaire à ce qui se passe dans les protéines fluorescentes réversiblement commutables (RSFP). Cependant, ils ont découvert que mEos4b ne peut pas être complètement éteint (c’est-à-dire que son "contraste de commutation" est faible), car son chromophore bouge beaucoup dans l’état noir et revient facilement vers l’état fluorescent. En comparant le nombre d’interactions par liaison H maintenues par le chromophore dans différentes protéines fluorescentes dans leurs états verts et noirs, ils ont pu suggérer que le contraste de commutation dans les RSFPs dépend de la force relative avec laquelle le chromophore est ancré à la matrice de la protéine dans l’état noir par rapport à l’état vert.

Mechanistic Investigations of Green mEos4b Reveal a Dynamic Long-Lived Dark State. Elke De Zitter, Jacqueline Ridard, Daniel Thedie, Virgile Adam, Bernard Levy, Martin Byrdin, Guillaume Gotthard, Luc Van Meervelt, Peter Dedecker, Isabelle Demachy, Dominique Bourgeois. Journal of the American Chemical Society, 2020, ja-2020-01880m (10.1021/jacs.0c01880)

Contact : Dominique Bourgeois, chercheur CNRS de l’IBS (Groupe Dynamique et Cinétique des processus moléculaires)

Base structurale des activités catalytiques de l’enzyme multifonctionnelle quinolinate synthase

Le cofacteur biologique nicotinamide adénine dinucléotide (NAD) est impliqué dans de nombreuses réactions métaboliques essentielles impliquant le transfert d’un proton et de deux électrons. Selon l’organisme, son précurseur, l’acide quinolinique (AQ), est synthétisé à partir du tryptophane (comme chez les humains) ou de la condensation du dihydroxyacétone phosphate et de l’iminoaspartate (chez les bactéries). Cette dernière réaction, qui est probablement la façon la plus ancienne de fabriquer de l’AQ, est catalysée par l’enzyme très polyvalente NadA. En effet, outre la réaction de condensation, cette protéine catalyse une déphosphorylation, une isomérisation, une cyclisation et deux étapes de déshydratation. Le cluster [4Fe-4S], qui est essentiel, est lié à une extrémité du site actif et est connecté à la surface de la protéine par un tunnel qui peut être ouvert ou fermé en fonction de la nature (ou de l’absence) du ligand fixé.

Plusieurs structures cristallines et les données de diffraction des rayons X correspondantes pour les complexes de NadA avec des inhibiteurs, des analogues de substrat, au moins un substrat (le DHAP), le produit et les intermédiaires potentiels de la synthèse de l’AQ, sont disponibles dans la Protein Data Bank. Sur la base d’une analyse systématique de ces structures, une vue cohérente et complète de la catalyse NadA est proposée par des chercheurs du groupe Métalloprotéines dans Coordination Chemistry Reviews.

Structural basis for the catalytic activities of the multifunctional enzyme quinolinate synthase. Volbeda A, Fontecilla-Camps JC. Coordination Chemistry Reviews, Volume 417, 15 August 2020, 213370. https://doi.org/10.1016/j.ccr.2020.213370

Contact : Juan Fontecilla-Camps et Anne Volbeda], chercheurs CEA de l’IBS (Groupe Métalloprotéines)

Mécanisme moléculaire du radical SAM de la protéine NifB , une enzyme clé de cofacteur de maturation de la nitrogénase

La nitrogénase est un acteur majeur du cycle global de l’azote. Elle catalyse la réduction du diazote en ammoniac à température et pression ambiante. Son site actif, aussi appelé FeMo-cofactor, correspond à un centre organométallique [MoFe7S9C-(R)-homocitrate] dont la biosynthèse et l’insertion nécessitent l’action d’une douzaine de protéines accessoires regroupées dans la machinerie d’assemblage NIF (pour NItrogen Fixation). Parmi ces dernières, la protéine NifB est essentielle puisqu’elle va permettre l’insertion d’un ion carbure ainsi que la fusion de deux centres [Fe4S4] pour former un précurseur [Fe84S9C] appelé NifB-co.
Les chercheurs du groupe Metalloprotéines ont déterminé la structure cristalline de la protéine NifB issue de l’organisme Methanotrix thermoacetophila à 1.95 Å de résolution, dans un état latent en attente de l’insertion d’un des deux centres [Fe4S4] substrat. Cette structure, longtemps espérée, a révélé un mode de fixation unique pour le premier centre [Fe4S4] substrat, impliquant deux résidus de cystéine ainsi que d’une histidine et d’un glutamate. Une boucle portant deux résidus conservés est insérée dans la cavité du site actif, probablement pour protéger les centres [Fe4S4] déjà présents et pour ordonner la séquence des évènements, notamment en contrôlant la double réactivité de la SAM et en empêchant le déclenchement de la réaction radicalaire avant que le second substrat ne soit présent.

Structural insights into the mechanism of the radical SAM carbide synthase NifB, a key nitrogenase cofactor maturating enzyme. Sosa Fajardo A, Legrand P, Payá-Tormo L, Martin L, Pellicer Martinez MT, Echavarri-Erasun C, Vernède X, Rubio LM, Nicolet Y. J Am Chem Soc. 2020 May 30 ;142(25):11006-11012.
doi : 10.1021/jacs.0c02243.

Contact : Yvain Nicolet, chercheur CEA de l’IBS (Groupe Métalloprotéines)

Mécanisme moléculaire d’une pompe à sodium controlée par la lumière

La pompe ionique photosensible KR2 est une rhodopsine microbienne découverte dans des bactéries marines en 2013. Sa capacité unique à transporter activement le sodium (Na+) sous l’effet de la lumière, mais pas le potassium (K+), le calcium (Ca2+) et l’hydrogène (H+), fait de cette protéine un outil potentiel pour l’optogénétique - une méthode biotechnologique de contrôle optique précis et peu invasif de la matière vivante. Le mécanisme moléculaire du pompage du Na+ par la lumière n’était pas encore connu, car seule la structure tridimensionnelle de la pompe KR2 à l’état basal inactif a été résolue jusqu’à présent.
Des chercheurs du groupe Transporteurs membranaires de l’IBS, en collaboration avec l’ESRF, l’EMBL, le Centre de recherche de Juelich, l’Institut de physique et de technologie de Moscou et le synchrotron ALBA, ont résolu la structure cristalline de la pompe KR2 pentamérique dans son état intermédiaire actif de pompage du Na+. La structure a révélé un site de liaison transitoire du Na+ à l’intérieur de la rhodopsine. Des simulations de dynamique moléculaire ont permis de prédire le cheminement du Na+ à travers la protéine, ce qui a été validé par mutagenèse. Ces résultats ont permis aux chercheurs de montrer que le transport actif du Na+ par la lumière se fait par une combinaison de mécanismes de relais et de diffusion passive des ions à travers les cavités polarisées à l’intérieur de KR2.
Ils démontrent ainsi que le mécanisme de transport des cations autres que les protons est différent du mécanisme de Grotthuss de transport des protons dans les transporteurs de protons telle la bactériorhodopsine classique. La description du site de liaison du Na+ et du cheminement des ions dans la protéine va faciliter l’ingénierie rationnelle d’outils optogénétiques basés sur une protéine KR2 améliorée.

Molecular mechanism of light-driven sodium pumping. Kovalev K, Astashkin R, Gushchin I, Orekhov P, Volkov D, Zinovev E, Marin E, Rulev M, Alekseev A, Royant A, Carpentier P, Vaganova S, Zabelskii D, Baeken C, Sergeev I, Balandin T, Bourenkov G, Carpena X, Boer R, Maliar N, Borshchevskiy V, Büldt G, Bamberg E, Gordeliy V. Nature Communications 2020, 11:2137

Contact : Valentin Gordeliy, chercheur CEA de l’IBS (Groupe Tansporteurs Membranaires)

COVID-19 : infos IBS

L’IBS relance progressivement ses activités à partir du 25 mai

Suite à l’annonce du gouvernement de lever graduellement le confinement à partir du 11 mai, la réouverture progressive de l’IBS est organisée en accord avec toutes les mesures et réglementations de sécurité recommandées par nos tutelles. Le Plan de Reprise d’Activité (PRA) de l’IBS prévoit, à partir du 25 mai, une reprise progressive de l’activité en présentiel, pour se stabiliser après 4 semaines à un niveau d’environ 50% de présence physique sur site. Ce modèle de fonctionnement implique que le télétravail reste le mode de travail privilégié et vos contacts, quand ils ne sont pas sur site, peuvent être joints par courrier électronique (en savoir +).

L’IBS mobilisé dans la lutte contre le COVID-19

Afin de contribuer à l’effort scientifique international sur le Covid-19, les scientifiques de l’IBS se sont mobilisés pour lancer des programmes de recherche dont certains ont démarré sur site dès début avril (en savoir +)

Conférences et séminaires

L’ensemble des évènements (séminaires, conférences) prévus par l’IBS jusqu’en juillet ont été annulés ou reportés à une date ultérieure (en savoir +).

Stages

Les stages qui devaient commencer après le 17 mars ont été annulés, et conformément aux indications de l’UGA, transformés en stage bibliographiques.

Caractériser les ARN longs non codants d’un point de vue 3D

Les ARN non codants accomplissent une variété remarquable de fonctions biologiques, de la régulation de l’expression des gènes à la traduction et même à la protection des génomes contre les acides nucléiques étrangers. Parmi eux, les ARN non codants longs (lncRNA) régulent des ARN de grande taille (> 1000 nucléotides) qui sont impliqués dans la prévention des maladies mais leur fonction ainsi que les structures tridimensionnelles restent mal caractérisées. Une étude récente a démontré le rôle des éléments structuraux du gène 3 exprimé par la mère (MEG3) qui potentialise la protéine p53, un facteur de transcription clé contrôlant la prolifération cellulaire, dont le rôle est d’arrêter la croissance des cellules malsaines avant qu’elles ne dégénèrent en tissus cancéreux (Uroda T, Anastasakou E, Rossi A, Teulon J-M, Pellequer J-L, Annibale P, Pessey O, Inga A, Chillon I et Marcia M (2019) Conserved pseudoknots in lncRNA MEG3 are essential for stimulation of the p53 pathway. Mol. Cell 75 : 1-14. DOI:10.1016/j.molcel.2019.07.025).
Dans le cadre d’une collaboration entre le Laboratoire européen de biologie moléculaire (EMBL) de Grenoble avec des collègues du Centre Max Delbruck de Berlin et de l’Institut de Biologie Structurale (CEA/CNRS/UGA) de Grenoble, les chercheurs ont utilisé des techniques complémentaires de biologie structurale bien établies pour caractériser la forme d’un lncRNA : la microscopie à force atomique, qui a permis d’identifier les particules d’ARN individuelles capturées et d’en déduire leur taille et leur compacité ; et la diffusion des rayons X à petit angle, qui a permis de caractériser la forme 3D de l’ARN en solution. La description de cette nouvelle approche a été présentée dans un récent numéro de Nature Protocols. Ce protocole est probablement applicable à d’autres molécules d’ARN longues telles que les ARN non traduits (UTR) présents dans certains grands génomes de virus à ARN.

Visualizing the functional 3D shape and topography of long non coding RNAs by single-particle atomic force microscopy and in solution hydrodynamic techniques. Uroda T, Chillon I, Annibale P, Teulon JM, Pessey O, Karuppasamy M, Pellequer JL, Marcia M. Nature Protocols ; doi : 10.1038/s41596-020-0323-7

Contact : Jean-Luc Pellequer, chercheur CEA de l’IBS (Groupe Microscopie Electronique & Méthodes)

Hommage à Jean-Luc Ferrer

L’IBS rend hommage à Jean-Luc Ferrer décédé le 21 avril 2020 dans sa 55eme année, après une bataille menée depuis plusieurs années contre la maladie. Pilier des lignes CRG françaises à l’ESRF, il était un scientifique internationalement reconnu dans le domaine de la biologie structurale.

Ingénieur diplômé de l’Ecole Centrale Paris en 1987, Jean-Luc Ferrer a obtenu un doctorat en physique en 1990, après une thèse réalisée au centre CEA de Bruyères-le-Châtel sur la dynamique du spectre d’un laser à électrons libres. Dans la foulée, Jean-Luc a été recruté à la Direction des Sciences du Vivant au centre CEA de Grenoble et a rejoint le Laboratoire de Cristallographie et Cristallogenèse des Protéines (LCCP) dirigé par Juan Fontecilla-Camps et créé par Michel Suscillon dans le cadre du programme « Protéine 2000 ». Cette initiative avait été prise suite à la décision de construire le synchrotron européen (ESRF) à Grenoble. Au LCCP Jean-Luc a rejoint l’équipe de Michel Roth, qui avait pour mission de construire la ligne française BM02-D2AM à l’ESRF dédiée pour moitié à la cristallographie des protéines. En 1992, le LCCP a rejoint l’Institut de Biologie Structurale nouvellement créé par Jean-Pierre Ebel. Quelques années plus tard, Jean-Luc a également contribué à la conception et à la construction de la nouvelle ligne de lumière CRG française de cristallographie des protéines BM30A-FIP.

Jean-Luc Ferrer a rapidement montré un intérêt et des compétences pour les aspects techniques et scientifiques, parfois très complexes, de construction de ligne de lumière et de résolution de structures de protéines. C’est pour cette dernière raison qu’il a initié une collaboration très fructueuse avec le Pr. Joseph P. Noel (La Jolla, USA) sur la biologie structurale de la synthèse des phénylpropanoïdes chez les plantes. Il a ensuite établi des collaborations avec de nombreuses équipes françaises et internationales, mais aussi développé ses propres thèmes de recherche (liste des ses publications).

Avec le départ à la retraite de Michel Roth en 2001, Jean-Luc est devenu responsable de la ligne BM30A-FIP. Dans le cadre de cette fonction, il a montré de grandes qualités de créativité, d’opiniâtreté et de dynamisme afin de mettre en valeur les atouts du rayonnement synchrotron pour la cristallographie des protéines. Il a été un pionnier de l’analyse automatisée des données de diffraction. En outre, il a su anticiper l’automatisation des lignes de cristallographie et a contribué à développer le premier chargeur d’échantillons basé sur un bras robotisé, le robot CATS. Par la suite, il a eu l’idée d’utiliser directement le bras robotisé comme goniomètre (le robot G-ROB), ce qui a permis pour la première fois de faire diffracter des cristaux dans leur plaque de cristallisation, ouvrant la voie à la cristallographie ‘in situ’ cruciale pour le criblage de ligands pour la conception de médicaments (‘drug design’). Il a assuré le transfert technologique de ces différentes innovations en fondant la start-up NatX-ray à Grenoble puis à San Diego. Plate-forme nationale, la ligne FIP est devenue au fil des années un outil incontournable des communautés française et internationale de cristallographie des protéines.

Jean-Luc Ferrer dirigeait le Groupe Synchrotron (GSY) de l’IBS depuis sa création en 2011. Dans le cadre du programme d’amélioration EBS de l’ESRF visant à obtenir une nouvelle source de rayons X extrêmement brillante, il avait cherché et obtenu le financement du projet de reconstruction et de rénovation de la ligne FIP afin d’offrir le meilleur service à la communauté. Il aura porté ce projet de ligne jusqu’au bout, qui deviendra BM07-FIP2 à l’automne à la réouverture de l’ESRF.

Jean-Luc était un brillant scientifique, mais aussi quelqu’un de simple et de bienveillant, toujours de bonne humeur. Il était réservé sur ses émotions mais il appréciait la convivialité et il était toujours partant pour une soirée entre amis. La Californie était un coin du monde où il aimait aller se ressourcer, près des siens. Il en adorait notamment les parcs d’attraction, où il montait dans les manèges les plus impressionnants. Sa gentillesse était sincère et permettait de créer des moments rares.

L’engagement professionnel que Jean-Luc a maintenu malgré la maladie force le respect et son travail pour développer la biologie structurale française et la porter au meilleur niveau mondial marquera notre communauté profondément. La Direction de l’IBS, son personnel, ses collègues et amis saluent la mémoire de ce scientifique éminent et adressent leurs sincères condoléances à sa famille et à ses proches.

Les bioinsecticides : c’est « bio », donc c’est bien ?

Comment détermine-t-on qu’un insecticide est respectueux de l’environnement ? C’est la question que s’est posée la télévision Canadienne (RadioCanada) dans le cadre de son émission « La Semaine Verte » au cours d’un reportage dans lequel Guillaume Tetreau est interviewé pour son expertise sur ce sujet. Ce reportage, intitulé « Le Bti, un larvicide inoffensif ? » et diffusé ce Samedi 18 Avril, est disponible en rediffusion sur le site de RadioCanada (https://ici.radio-canada.ca/tele/la-semaine-verte/site/episodes/461286/bti-larvicide-insecticide).

Le Bti est un bioinsecticide – c’est-à-dire un insecticide produit par un organisme vivant, la bactérie Bacillus thuringiensis subsp. israelensis. Du fait de son apparente innocuité pour les espèces non-cibles, le Bti a progressivement remplacé les insecticides chimiques historiquement utilisés en démoustication. En Europe, il est devenu depuis une dizaine d’années le seul insecticide autorisé pour la lutte contre les moustiques au stade larvaire. Dans un contexte de crise mondiale de la biodiversité, cette hégémonie du Bti inquiète et un nombre croissant d’études remet en question son statut d’insecticide « propre ». Ce documentaire vise ainsi à dresser un état des lieux des connaissances sur l’impact du Bti sur l’environnement et les écosystèmes, faisant notamment la lumière sur les alternatives disponibles déjà implémentées dans certains pays.

Ce reportage fait écho à un article de synthèse récemment publié dans la revue Science of the Total Environment abordant les aspects environnementaux et socioéconomiques de la lutte contre les moustiques à l’aide du Bti

Environmental and socioeconomic effects of mosquito control in Europe using the biocide Bacillus thuringiensis subsp. israelensis (Bti). Brühl CA, Després L, Frör O, Patil CD, Poulin B, Tetreau G, Allgeier S. Sci Total Environ. 2020 Mar 21:137800. doi : 10.1016/j.scitotenv.2020.137800

Une chimie radicalaire hautement contrôlée !

Les protéines dites à radical S-adénosyl-L-méthionine (SAM) appartiennent à une vaste famille de catalyseurs. Elles utilisent la réduction par un électron d’un centre [Fe4S4] pour cliver la SAM et ainsi produire une espèce radicalaire 5´-déoxyadénosyl hautement réactive. Cette dernière va alors initier une grande variété de réactions radicalaires sur des substrats aussi différents que des petites molécules organiques, des protéines, de l’ADN ou de l’ARN. Comme elles catalysent des réactions très complexes, ces enzymes laissent entrevoir de nombreuses utilisations biotechnologiques potentielles. Cependant, l’implication d’espèces intermédiaires à haute énergie nécessite un control étroit de cette chimie par la matrice protéique. Il parait donc essentiel de comprendre comment s’effectue ce control afin de développer des catalyseurs comme outils de synthèse chimique.
Cette revue présente quelques-uns des tout derniers développements dans l’étude de ces enzymes en se concentrant sur les relations structure-fonction de quelques exemples pour lesquels sont disponible, à la fois les données structurales, fonctionnelles, spectroscopiques ainsi que les calculs théoriques afin de mieux décrire l’interaction étroite entre la chimie réalisée et le contrôle exercé par la matrice protéique.

Structure-function of radical SAM enzymes ; from mechanism to biotechnological applications. Nicolet Y. Nature Catalysis ; 3 , 337–350

Contact : Yvain Nicolet, chercheur CEA de l’IBS (Groupe Métalloprotéines)

Quel rôle pour la biologie structurale dans la lutte contre le Covid-19 ?

Joanna Timmins, chercheuse dans le groupe "Infection virale et Cancer" de l’IBS, nous éclaire sur le rôle de la biologie structurale dans la lutte contre le Covid-19.
Son article, en français et accessible à tout curieux de science, est disponible sur le site web de l’Association Française de Cristallographie. Retrouvez-le ici.

Et si on lisait ? Cache cache Covid

Un livret de vulgarisation intitulé « Cache cache Covid » a été réalisé par Emmanuelle Neumann, ingénieure-chercheure dans le groupe MEM de l’IBS. Ce livret, constitué de textes simples, illustrés par Audrey Schoehn, lycéenne, a pour vocation d’expliquer aux enfants, et ainsi rendre moins anxiogène, la situation actuelle liée à la crise sanitaire Covid-19.
Ce support peut être utile pour les équipes enseignantes et les parents !
Il est téléchargeable sur http://www.cea.fr/comprendre/enseignants/Documents/livret-covid19-enfants.pdf.

Observer des usines virales en action dans des goutelettes

De nombreux virus sont connus pour former des compartiments cellulaires, également appelés usines à virus. Les paramyxovirus, dont le virus de la rougeole, colocalisent leur matériel protéomique et génomique en punctus dans les cellules infectées. Dans ce travail des chercheurs de plusieurs groupes de l’IBS démontrent que les protéines nucléo- (N) et phospho- (P) purifiées du virus de la rougeole forment des organites liquides sans membrane lors de leur mélange in vitro. Ils ont identifié de faibles interactions impliquant des domaines de N et P intrinsèquement désordonnés qui sont impliqués dans ce processus, dont l’un est essentiel pour la séparation des phases. La fluorescence leur a permis de suivre la modulation de la dynamique de N et P lors de la formation des gouttelettes, tandis que la RMN a été utilisée pour étudier la thermodynamique de ce processus. L’ARN se colocalise en gouttelettes, où il déclenche l’assemblage des protomères N en particules de type nucléocapside qui encapsident l’ARN. La vitesse d’encapsidation dans les gouttelettes est plus élevé que dans la phase diluée, ce qui révèle l’un des rôles de la séparation de phase liquide-liquide dans la réplication du virus de la rougeole. Cette étude a permis d’observer pour la première fois des usines virales en action.
La présence de punctas similaires dans de nombreux virus suggère que les observations faites ici seront d’intérêt général pour le développement de stratégies antivirales.

Measles Virus Nucleo- and Phosphoproteins form Liquid-like Phase-Separated Compartments that Promote Nucleocapsid Assembly. Serafima Guseva Sigrid Milles, Malene Ringkjøbing Jensen, Nicola Salvi, Jean-Phillipe Kleman, Damien Maurin, Rob W.H. Ruigrok, Martin Blackledge. Science Advances ; Vol. 6, no. 14, eaaz7095

Contact : Martin Blackledge, chercheur CEA de l’IBS (Groupe Flexibilité et Dynamique des Protéines par RMN)

L’origine de la vie en dix podcasts

Que savons-nous de l’origine de la vie sur Terre, et où la chercher ailleurs dans l’Univers ?

Tout au long du premier semestre 2020, au rythme d’un épisode toutes les deux semaines, Ciel & Espace diffuse des podcasts sur ces questions, avec notamment l’intervention de scientifiques de l’IBS, dans le cadre de leur participation au CDP Origin Of Life de l’UGA.
Ainsi, le second épisode intitulé « De l’inerte au vivant, une transition mystérieuse » a été réalisé avec Juan Fontecilla (IBS/METALLO) et Yannick Vallée (Université Grenoble Alpes).
Et le quatrième épisode, avec Bruno Franzetti et Lorenzo Carré (IBS/ELMA), s’interroge sur « La vie extraterrestre est-elle extrémophile ? ».

Retrouvez cette série (réalisée en partenariat avec l’Université Grenoble Alpes et le projet « Origin of Life », financé par l’IDEX Université Grenoble Alpes).

Par ailleurs, à l’occasion de cette série de podcasts, un biologiste et une astrophysicienne confrontent leur point de vue sur l’apparition du Vivant dans une interview de Ciel & Espace.

Comment un électron et un proton modulent la fixation d’une protéine à l’ADN

La protéine bactérienne RsrR, qui contient un centre [2Fe-2S], régule l’expression des gènes qui sont impliqués directement ou indirectement dans l’équilibre redox de la cellule. L’oxydo-réduction du centre fer-soufre contrôle la fixation à son site régulateur dans l’ADN ; seule la forme oxydée +2 peut le fixer. En 2019, le groupe IBS/Metallo en collaboration avec le Pr. Nick Le Brun (University of East Anglia, UK) a publié la première structure cristalline de RsrR (Volbeda et al., JACS 2019) montrant une coordination Cys, Cys, Glu, His, inédite pour un centre fer-soufre. La comparaison des modèles protéiques oxydé et réduit a révélé deux conformations, Out (en vert dans la figure) et In (en orange), pour un résidu tryptophane (W) conservé et le déplacement concomitant d’une histidine (H).
Dans cette nouvelle étude, les deux groupes, en collaboration avec le Dr Jean-Marie Mouesca (IRIG-DIESE-SyMMES-CAMPE), ont résolu la structure de RsrR liée à l’ADN où les trois résidus clés (W, H et Y en noir dans la figure) adoptent une conformation plus proche de la forme Out. En combinant la modification chimique de W, la mutagenèse dirigée, la cristallographie aux rayons X, les calculs quantiques et les simulations de dynamique moléculaire et de métadynamique,ils ont pu montrer que Out et In correspondent aux formes oxydée et réduite du centre fer-soufre, respectivement. De plus, ils ont pu déterminer que sa réduction (1 dans la figure) rend le pKa de l’histidine H plus basique ; la double protonation de H résultante (2) entraine le déplacement significatif de W, H et Y (3). Le moment dipolaire de W répond aux changements électrostatiques causés par la réduction. Finalement, la forme In, ainsi produite, se dissocie de l’ADN (4).
Cette étude a permis de jeter les bases du mécanisme par lequel la protéine RsrR régule la synthèse et la fonction du cofacteur universel NAD. Ce dernier est impliqué dans la photosynthèse, la production d’ATP et la respiration cellulaire.

Electron and Proton Transfers Modulate DNA Binding by the Transcription Regulator RsrR. Crack JC, Amara P, Volbeda A, Mouesca JM, Rohac R, Pellicer Martinez MT, Huang CY, Gigarel O, Rinaldi C, Le Brun NE, Fontecilla-Camps JC. J Am Chem Soc, 142(11):5104-5116 (2020).

Contact : Juan Fontecilla-Camps, chercheur CEA de l’IBS (Groupe Métalloprotéines)

Elucidation de la cascade de bioactivation de Cyt1Aa, une toxine anti-moustique

Comment réduire les populations de moustiques sans impacter l’environnement, ni induire de résistance ? Ce double défi est réussi par la bactérie Bacillus thuringiensis israelensis (Bti) qui produit, sous la forme de nanocristaux, quatre toxines, qui ciblent spécifiquement les larves de moustiques, empêchant de fait la transmission de maladies graves telles le paludisme, la dengue ou le chikungunya. Parmi les quatre toxines produites par Bti, des chercheurs, issus d’un consortium de 11 laboratoires mené par l’Institut de Biologie Structurale, se sont focalisés sur la toxine Cyt1Aa, grâce à laquelle Bti échappe à la résistance des moustiques. En combinant plusieurs approches de la biologie structurale (cristallographie sérielle à l’échelle de la femtoseconde sur laser X à électrons libres (XFEL) et combinaison de mutagénèse dirigée et de méthodes biochimiques, biophysiques et toxicologiques), ils ont élucidé la cascade de bioactivation de Cyt1Aa, depuis sa cristallisation au sein de la bactérie jusqu’à l’activité toxique chez l’insecte cible. Cette étude, publiée le 2 mars 2020 dans la revue Nature Communications, ouvre la voie à une adaptation rationnelle de ses propriétés aux besoins humains (détails).

Serial femtosecond crystallography on in vivo-grown crystals drives elucidation of mosquitocidal Cyt1Aa bioactivation cascade. Tetreau G, Banneville AS, Andreeva EA, Brewster AS, Hunter MS, Sierra RG, Teulon JM, Young ID, Burke N, Gruenewald TA, Beaudouin J, Snigireva I, Fernandez-Luna MT, Burt A, Park HW, Signor L, Bafna JA, Sadir R, Fenel D, Boeri-Erba E, Rosenthal M, Coquelle N, Burghammer M, Cascio D, Sawaya MR, Winterhalter M, Gratton E, Gutsch I, Federici B, Pellequer JL, Sauter NK, Colletier JP. Nature Communications ; 11, 1153

Contact : Jacques-Philippe Colletier, chercheur CNRs de l’IBS (Groupe Dynamique et Cinétique des processus moléculaires)

Dommages causés par l’irradiation X et limites en dose en cristallographie sérielle

La cristallographie aux rayons X est la méthode la plus utilisée pour déterminer la structure des macromolécules biologiques – protéines, ADN, ARN et complexes formés entre ceux-ci. Elle est cependant limitée par le fort dommage induit par l’irradiation X aux molécules biologiques. Pour réduire ces dommages, les expériences de cristallographie aux rayons X sont généralement conduites à températures cryogéniques, bloquant parfois une hétérogénéité conformationnelle importante pour la fonction biologique. Avec l’avènement de la cristallographie sérielle – où chaque cristal n’est exposé qu’une seule fois permettant une distribution de la dose sur des milliers de cristaux plutôt que sur un seul – les expériences de cristallographie à température ambiante sont cependant de plus en plus fréquentes, lesquelles pourraient permettre des études structurales résolues en temps sur pratiquement tous les systèmes biologiques. Il convient cependant de savoir quelle dose de rayons X peut être déposée sur chaque cristal, à température ambiante, avant que l’information biologique enregistrée sur ce dernier soit compromise ; on parle de limite en dose. Grâce à une méthode nouvelle de cristallographie sérielle, prenant avantage à la fois du faisceau micro-focalisé et du détecteur de dernière génération disponibles sur la ligne ID13 de l’ESRF, les chercheurs de l’IBS, de l’ESRF et de l’ILL, en collaboration avec des collègues des Universités d’Oxford, de San Francisco et de Notre Dame, ont pu déterminer cette limite en dose et mettre en évidence les dommages spécifiques causés aux macromolécules biologiques par l’irradiation X à température ambiante. Cette limite en dose est une information importante pour la conduite des futures expériences de cristallographie sérielle à température ambiante, dans les synchrotrons de 4ème génération. L’ESRF-EBS en est le tout premier exemplaire.

Radiation damage and dose limits in serial synchrotron crystallography at cryo- and room temperatures. Eugenio de la Mora, Nicolas Coquelle, Charles S. Bury, Martin Rosenthal, James M. Holton, Ian Carmichael, Elspeth F. Garman, Manfred Burghammer, Jacques-Philippe Colletier, and Martin Weik . PNAS ; doi.org/10.1073/pnas.1821522117

Contact : Martin Weik, chercheur CEA de l’IBS (Groupe Dynamique et Cinétique des processus moléculaires)

Mécanisme photo-réactionnel d’une protéine fluorescente photo-commutable

Les protéines fluorescentes photo-commutables sont utilisées comme marqueurs en biologie pour imager les cellules à une résolution allant jusqu’à quelques dizaines de nanomètres. A dessein, lesdites protéines sont successivement éteintes puis allumées par illumination alternée à deux longueurs d’ondes spécifiques de la lumière visible. Les commutations entre l’état non-fluorescent (off) et l’état fluorescent (on) sont très rapides et impliquent des passages dans des états excités qui se forment en quelques picosecondes (i.e. des millièmes de milliardièmes de seconde) qui ont été caractérisés structurallement récemment. Les changements conformationnels sur des échelles de temps plus lentes, cependant, restaient longtemps insaisissables, laissant ouverte la question du mécanisme photo-réactionnel dans les protéines fluorescentes réversiblement photo-commutables. Grace à une combinaison de cristallographie sérielle résolue en temps sur le laser X à électrons libres (XFEL) SACLA, au Japon, et de spectroscopie d’absorption transitoire, des chercheurs de l’IBS (groupes DYNAMOP, M&P et EBEV), de l’ILL et des Universités de Lille et de Rennes, en collaboration avec les Instituts Max-Planck de Heidelberg et de Göttingen, ont pu clarifier ce mécanisme, apportant pour la première fois une vision structurale d’un état intermédiaire clef (i.e. de celui adopté 10 nanosecondes après photo-excitation de l’état off ; cf. figure). Ce travail tranche un débat long de 10 ans sur l’ordre des évènements réactionnels lors de la photocommutation de l’état off vers l’état on au sein des protéines fluorescentes réversiblement photo-commutables et devrait contribuer à leur optimisation rationnelle pour des applications diverses et toujours augmentées en imagerie du vivant.

Photoswitching mechanism of a fluorescent protein revealed by time-resolved serial femtosecond crystallography and transient absorption spectroscopy. Woodhouse J, Nass-Kovacs G, Coquelle N, Uriarte LM, Adam V, Barends TRM, Byrdin M,. de la Mora E, Doak RB, Feliks M, Field M, Fieschi F, Guillon V, Jakobs S, Joti Y, Macheboeuf P, Motomura K, Nass K, Owada S, Roome CM, Ruckebusch C, Schirò G, Shoeman RL, Thepaut M, Togashi T, Tono K, Yabashi M, Cammarata M, Foucar L, Bourgeois D, Sliwa M, Colletier JP, Schlichting I, Weik M. Nature Communications ; 11, 741

Contact : Martin Weik, chercheur CEA de l’IBS (Groupe Dynamique et Cinétique des processus moléculaires)