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Imager les molécules du vivant

Sans les cristaux, difficile de pénétrer le mystère du vivant. En croisant les rayons X avec la matière vivante, la lumière synchrotron permet d’obtenir dans l’infiniment petit des images virtuelles en trois dimensions des molécules constituant la vie : les protéines et les acides nucléiques.

Les constituants essentiels des organismes vivants sont des molécules géantes (appelées macromolécules) formées de longues chaînes d’atomes qui adoptent, en se repliant spontanément, une structure spatiale bien définie. La fonction biologique de chacune de ces nanomachines est étroitement reliée à cette structure, d’où l’intérêt de déterminer celle-ci. La méthode la plus puissante à cet égard est la cristallographie.

En faisant diffracter les rayons X par des cristaux, on obtient, après beaucoup de calculs, une image en trois dimensions de la molécule – image 3D – détaillée jusqu’à l’échelle de l’atome. Les progrès de l’informatique, de la fabrication des cristaux et l’utilisation d’outils de pointe – notamment des détecteurs rapides et le rayonnement synchrotron – ont permis d’accélérer de manière vertigineuse et de banaliser cette technique d’imagerie sophistiquée.

Ainsi, il est possible aujourd’hui de faire de la génomique structurale, c’est-à-dire de déterminer rapidement la structure spatiale des protéines codées par tel ou tel génome (Voir en bas de page). La conception ou la modification rationnelles (ingénierie) des protéines et la mise au point de nouveaux médicaments s’appuient de plus en plus sur la cristallographie.

POURQUOI IMAGER LES MOLÉCULES DU VIVANT ? POUR VOIR LES ATOMES

Les éléments de base du fonctionnement de tout système vivant, les protéines et les acides nucléiques (ADN – acides désoxyribonucléiques ou ARN – acides ribonucléiques) sont de longues chaînes de polymères constitués de centaines ou de milliers d’atomes, principalement de carbone, d’oxygène, d’azote et d’hydrogène.

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Ribosome et protéine (© DR)
Les ribosomes sont des structures (ou organites) de taille nanométrique. Présents dans le cytoplasme des cellules vivantes, ils servent à assembler les acides aminés pour former les protéines

Une caractéristique essentielle de ces macromolécules (contrairement aux polymères de synthèse) est que la plupart d’entre elles adoptent une structure 3D bien définie, seules ou avec l’aide d’un tuteur (une protéine chaperonne) ou en se liant à leurs partenaires.
Ce repliement spécifique est nécessaire pour que chacune fonctionne correctement, c’est-à- dire effectue sa fonction biologique comme par exemple : le transport de l’oxygène par l’hémoglobine du sang. D’où l’importance des méthodes d’imagerie capables de révéler ce repliement de manière détaillée, jusqu’à « voir » si possible les atomes constitutifs.

La cristallographie et la résonance magnétique nucléaire (RMN) sont des techniques qui permettent de réaliser cette prouesse. Mais contrairement à la RMN, la cristallographie n’est pas limitée dans la taille des molécules accessibles et peut accéder à des systèmes très complexes constitués de centaines de milliers d’atomes. C’est ainsi que le ribosome (qui est la chaîne de fabrication des protéines dans les cellules vivantes) ou des virus sont aujourd’hui connus à l’échelle atomique. Les coordonnées donnant la position de chaque atome constitutif de ces macromolécules sont stockées dans des bases de données accessibles à tous (http://www.pdb.org).


Génome : Ensemble du matériel génétique d’un individu ou d’une espèce encodé dans son ADN. Retour au texte.

En savoir plus

Livre :

  • Stryer, Berg, Tymoczko, Biochimie, coll. « Médecine science », Flammarion, 2003. Site Web :
  • Laboratoire de cristallographie de la faculté de Jussieu : http://www.lmcp.jussieu.fr