Section 20 Biologie moléculaire et structurale, biochimie

V. Nouveaux défis pour la biologie structurale intégrative

L'évolution rapide, au cours des dernières décennies, des différentes approches de biologie structurale permet aujourd'hui d'espérer faire le lien entre les événements ayant lieu aux différentes échelles du vivant (atomique/moléculaire/multimoléculaire/cellulaire/tissulaire/organismes). Cette démarche implique de déterminer la structure des biomolécules seules et en complexe avec leurs partenaires, d'étudier la dynamique et l'énergétique de leurs interactions et de leurs réactions ainsi que leur organisation spatio-temporelle dans la cellule. Elle nécessite la combinaison de méthodes structurales (cristallographie aux rayons X, RMN, SAXS, microscopie électronique), d'études dynamiques (RMN, diffusion de neutrons) avec des approches mécanistiques qui impliquent souvent des spectroscopies optiques et magnétiques avancées, des approches de molécules uniques et de microscopies optiques (FCS et méthodes associées) et à super-résolution (PALM, STORM, STED).

La biologie structurale s'est en général déjà largement tournée vers une approche intégrative. La détermination des structures 3D des macromolécules biologiques par RMN ou cristallographie est de plus en plus souvent associée à des méthodes à plus basse résolution (SAXS, microscopie électronique) qui permettent l'intégration des structures 3D obtenues dans les complexes supramoléculaires auxquelles elles participent in vivo. La détermination de la structure des protéines membranaires reste un processus difficile, et seul un nombre restreint de laboratoires s'est aujourd'hui engagé dans cette voie. Les études structurales concernent par ailleurs de plus en plus des systèmes macromoléculaires complexes, certains de très grande taille (ribosome, polymérases, protéasome, virus, etc.). Elles sont rendues possibles grâce aux nouvelles synergies entre les méthodes structurales classiques et les développements récents d'approches en microscopie électronique à très haute résolution, reposant en général sur l'analyse d'un très grand nombre de particules. Il est à noter que les études les plus récentes utilisant ce type d'approche en microscopie électronique tendent à intégrer la dynamique de ces grands complexes dans leur analyse structurale. Les approches à partir de RMN liquide et solide ont aussi connu de nombreux développements pour l'analyse de la dynamique des structures ainsi que pour l'analyse des structures macromoléculaires in vivo et la détermination des conformations macromoléculaires peu peuplées.

L'ensemble de ces approches fournit un cadre structural qui permet d'utiliser avec beaucoup plus de pertinence toute une palette d'analyses des processus d'interaction entre macromolécules biologiques. Parallèlement à la généralisation de l'utilisation des méthodes bien établies (ultracentrifugation analytique, DSC/ITC, SPR), l'explosion des développements méthodologiques (par exemple SPRi, « backscattering interferometry ») devrait permettre une analyse de plus en plus facile et précise de la nature et des aspects énergétiques des interactions entre macromolécules biologiques. La détermination de la structure des macromolécules biologiques permet aussi, en utilisant soit des méthodes spectroscopiques optiques et/ou magnétiques, soit des méthodes de molécules uniques, de caractériser les mécanismes très fins du fonctionnement des biomolécules. Il est à noter cependant qu'aujourd'hui encore, il n'existe que très peu de laboratoires au niveau national allant jusqu'à la modélisation complète des résultats obtenus par ces approches. Parallèlement aux développements de la microscopie électronique, ces dernières années ont vu une évolution rapide et remarquable des approches en microscopie optique qui permettent aujourd'hui de suivre la mobilité de molécules in vitro et in vivo, de suivre quelques molécules marquées dans des cellules intactes ou d'analyser par des techniques de FRET les interactions entre macromolécules. L'un des défis dans ce domaine consiste à intégrer les informations obtenues par ces différentes techniques et les intégrer sur des cellules intactes. Par ailleurs, le franchissement de la limite d'Abe au tournant du siècle, permet aujourd'hui à de plus en plus de laboratoires d'effectuer des mesures d'imagerie avec une résolution de l'ordre de 50 nm (en utilisant la microscopie STED) ou une précision de localisation d'une vingtaine de nanomètres (méthodes PALM/STORM). Ces méthodes sont encore assez exigeantes (très hauts flux dans le STED et nécessité de protéines marquées avec des sondes fluorescentes photoactivables pour les microscopies de localisation) mais elles devraient connaître des développements spectaculaires dans les prochaines années. Parallèlement à ces approches purement optiques, la microscopie à force atomique permet de visualiser des protéines (souvent membranaires) avec des résolutions de l'ordre du nanomètre, et a connu des avancées technologiques remarquables permettant aujourd'hui une résolution temporelle très inférieure à la seconde.

Il y a eu au cours des dix dernières années, une évolution nette de la conception même de la structure des macromolécules biologiques, qui a émergé aussi bien de la découverte de conformations macromoléculaires peu peuplées par RMN, d'ensembles de conformations différentes révélées par microscopie électronique et des mesures utilisant des molécules uniques qui ont parfois révélé de très grandes variations structurales d'une macromolécule à l'autre ou d'une même macromolécule au cours du temps ou dans différentes conditions. Par ailleurs, les mesures de forces sur molécule unique ont permis un abord original des mécanismes d'interaction ADN-protéine et récemment de la structure des protéines.

Notons pour finir que les méthodes théoriques d'approche des macromolécules biologiques et de leurs composants ont connu des développements spectaculaires, soit liés à la puissance des ordinateurs qui permettent aujourd'hui la simulation de très grands systèmes sur des échelles de temps avoisinant la microseconde, soit liés aux développements d'approches gros grains, d'approches de type QM/MM, et pour les plus petites molécules le développement de la DFT et td-DFT. Ces méthodes sont aujourd'hui susceptibles de fournir les éléments d'un cadre théorique pour le fonctionnement de systèmes très complexes dans des situations proches de l'in vivo.