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Un microscope lève le voile sur l'intimité des protéines

NICOLAS VIUDEZ

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Un microscope lève le voile sur l'intimité des protéines

© Institut Pasteur

L'institut Pasteur a récemment fait l'acquisition du Titan Krios, un microscope géant conçu par Thermo Scientific, destiné à mieux visualiser les petites molécules comme les protéines ou les virus.

Le Titan Krios n'est pas le nom du prochain super-vilain d'une production Marvel. Derrière ce libellé de géant se cache un microscope qui culmine à presque 4 mètres de haut. Une taille indispensable pour embarquer les équipements qui rendent ce microscope hors norme. Le Krios est capable d'aller jusqu'à l'échelle atomique, à un dixième de nanomètre et de distinguer de nombreux détails invisibles à partir d'un microscope électronique classique. Les chercheurs acquièrent ainsi la capacité de caractériser la structure des protéines mais aussi d'étudier leurs interactions dans leur environnement naturel. Ce microscope ouvre ainsi de nouvelles portes en immunologie, biologie cellulaire, bactériologie, virologie, parasitologie ou encore neurosciences.

La cryo-microscopie rapproche au plus près du vivant

Le Titan Krios repose sur la technique de cryo-microscopie qui consiste à congeler très rapidement un échantillon biologique afin de le piéger dans une mince couche de glace amorphe, puis de l'observer à l'aide d'un microscope électronique adapté. « La cryo-microscopie électronique a transformé l'approche des chercheurs vis-à-vis des maladies neurodégénératives, des agents pathogènes et des cancers en leur proposant une vision inédite des structures des protéines et une meilleure compréhension du développement des maladies », souligne Mike Shafer, président Materials and Structural Analysis chez Thermo Fisher. Auparavant, pour déterminer la structure d'une molécule, celle-ci devait être isolée puis cristallisée grâce à un procédé parfois long, et qui pouvait entraîner la dénaturation des protéines trop fragiles ou trop instables. En particulier, cette méthode n'était pas adaptée à l'analyse de complexes moléculaires localisés dans les parois cellulaires, pourtant essentiels au développement de nouvelles stratégies thérapeutiques. Aujourd'hui, avec le Titan Krios, les scientifiques parlent d'analyse de particules isolées (API) préparée par « cryogénisation » ou « vitrification », une technique qui garantit l'obtention d'une structure sans cristallisation du complexe d'intérêt. En assurant une très grande stabilité à l'échantillon étudié, ce microscope, doté d'une caméra à détection directe d'électrons, rend possible l'acquisition automatique de milliers d'images. L'enregistrement à haute vitesse d'images successives permet ainsi l'alignement de plusieurs clichés en vue de renforcer la netteté de l'image finale des protéines dans leur environnement cellulaire. Des images qui peuvent se combiner avec celles d'autres techniques de microscopie, plus traditionnelles, pour donner un panorama plus complet du vivant « Aujourd'hui, nous combinons la microscopie optique et la microscopie électronique à la manière de Google Maps : nous pouvons avoir une vue d'ensemble - voir des cellules infectées et non infectées, par exemple - puis nous rapprocher des détails, de plus en plus fins, jusqu'à voir des particules virales sur la membrane d'une cellule », observe Olivier Schwartz, directeur scientifique de l'Institut Pasteur. Des procédés qui nécessitent cependant des capacités de traitement de l'image conséquentes, comme le souligne Michael Nilges, responsable de l'unité de bio-informatique structurale à l'Institut Pasteur : « Titan Krios, c'est un demi-téraoctet voire un téraoctet d'informations acquises par jour, ce qui peut représenter jusqu'à 400 To par an. Le défi est de pouvoir conserver toutes ces données afin que n'importe quel spécialiste en France puisse aller piocher dans cette formidable bibliothèque visuelle (...) ».

Plus de 10 millions d'euros et un bâtiment dédié

L'acquisition du Titan aura nécessité pour l'Institut Pasteur un investissement de plus de 10 millions d'euros incluant l'achat et la construction d'un bâtiment dédié. Le cahier des charges pour l'accueil de l'équipement nécessitait en effet de prendre en compte de nombreuses contraintes : champs électromagnétiques, température, taux d'humidité, vibrations et sources d'azote constantes. Si le microscope de l'Institut Pasteur a été inauguré le 12 juillet 2018, l'équipement ne date, lui, pas tout à fait d'hier. Le premier Titan Krios a ainsi vu le jour en février 2008. Il a été développé en collaboration avec le Max Planck Institute of Biochemistry en Allemagne. Grâce à ses récentes avancées, tant en matière de conception que de matériel d'imagerie, et à ses améliorations en termes de traitement des images et d'automatisation, Titan Krios a contribué au succès de la cryo-microscopie, récompensée par le Prix Nobel de chimie 2017.

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