Comme on a pu le voir dans le billet précédent, le concept de protéine a été défini bien longtemps avant que l’on ait la moindre idée d’à quoi ces drôles de molécules pouvaient bien ressembler. Et c’est la cristallographie qui nous a fourni les premiers clichés de protéines.

On le devine aisément, la cristallographie c’est l’étude des cristaux. Et un cristal, c’est un état particulier de la matière solide où les atomes sont positionnés de manière régulière dans les trois dimensions de l’espace, faisant ainsi apparaître la répétition d’un motif périodique. Quand on parle de cristal, on imagine tout de suite des matériaux précieux comme le diamant. Mais on peut former des cristaux avec des choses beaucoup plus triviales, comme du sel de cuisine, du sucre, ou encore des protéines !

Obtenir de beaux cristaux (bien réguliers et d’une taille suffisante) reste d’ailleurs encore un défi pour les cristallographes qui s’intéressent aux structures protéiques. Toutes les protéines ne sont pas faciles à cristalliser et chacune nécessite souvent des conditions (de composition de la solution où le cristal se forme) qui lui sont propres. Mais de la qualité des cristaux produits dépendra la qualité de la structure obtenue ensuite, alors les chercheur·se·s ont appris à être patient·e·s !

Une fois obtenu le cristal de protéine, on va le refroidir à -173°C et le placer dans un diffractomètre qui va nous donner accès à la structure de la molécule. Ce froid plus que polaire est indispensable pour obtenir un cliché bien net de notre protéine. En effet, les atomes d’une molécule s’agitent d’autant plus que leur environnement est chaud. À température ambiante, les atomes dansent la samba et la photo serait toute floue. À -173°C, chacun garde bien sagement sa place en attendant que sorte le petit oiseau.

Dans le diffractomètre, on envoie des rayons X sur le cristal. En traversant l’échantillon ces rayons vont être dispersés dans toutes les directions (diffractés donc) en mode boule à facette. Mais loin d’être le fruit du hasard, ces directions de diffraction dépendent de la position de chaque atome au sein du cristal, elles représentent une signature unique de la protéine. Cette signature est néanmoins loin d’être simple à déchiffrer, et sa lecture nécessite des calculs d’autant plus longs et compliqués que la protéine étudiée est volumineuse et sa structure irrégulière. Mais au final, l’étude du diagramme de diffraction produit lors de l’expérience va donc nous permettre de remonter à la structure atomique de la protéine.

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Soirée disco chez les protéines : même à -173°C, il y a toujours de l’ambiance dans le diffractomètre (image de Natacha Gillet)

La technique de la cristallographie a été mise au point par William et Lawrence Bragg (qui étaient père et fils) au début du vingtième siècle. Leurs travaux fondateurs pour l’étude des solides cristallins furent récompensés par un prix Nobel de Physique dès 1915 (et de un !), mais il a fallu encore quelques décennies de recherches avant d’obtenir des structures protéiques.

Dans un premier temps, les scientifiques ont fait avec les diffractomètres ce qu’ils font spontanément avec toute nouvelle expérience, ils ont collé dedans tout ce qui leur tombait sous la main, juste pour voir et notamment des matériaux fibreux : soie, laine, cellulose (certaines recherches étaient financées par l’industrie textile, ceci expliquant sans doute cela), et même un cheveu de Mozart !

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Brainstorming au labo de cristallo, circa 1930.

Nombre de ces matériaux étaient composés de protéines (comme par exemple la kératine de la laine et des cheveux) et dès les années 30, les chercheur·se·s remarquèrent que dans ce cas le diffractomètre produisait essentiellement deux types de diagrammes de diffraction, qui furent nommés α et β, mais sans que l’on sache pour autant à quelles structures à l’échelle atomique ces diagrammes pouvaient bien correspondre. Il fallut encore une vingtaine d’années avant que Linus Pauling n’élucide (en 1951) le mystère des diagrammes de diffraction et montre que les types α et β correspondaient aux hélices α et feuillets β que nous connaissons bien désormais. Trois ans plus tard, en 1954, Pauling recevait un prix Nobel de Chimie pour l’ensemble de ses travaux (et de deux !).

Mais une protéine, ce sont plusieurs éléments de structure secondaire (les hélices et feuillets), dont l’agencement est la plupart du temps assez irrégulier. Déterminer la structure d’une protéine globulaire représentait donc encore un problème complexe. Après de longs essais et tâtonnements, ce furent finalement Max Perutz et John Kendrew qui parvinrent les premiers à résoudre les structures tertiaire et quaternaire de l’hémoglobine et de la myoglobine vers 1960. En 1962, nos deux compères recevaient le prix Nobel de Chimie pour cette avancée majeure dans l’étude des protéines (et un, et deux, et trois !).

Après ces premiers succès, les déterminations de structure se sont enchaînées et la Protein Data Bank a été créée en 1971 afin d’archiver et de rendre accessible aux chercheurs l’ensemble des structures protéiques obtenues (tout d’abord par cristallographie, et ensuite aussi par d’autres méthodes que nous aborderons brièvement dans les billets suivants). Quand on demanda à Lawrence Bragg à quoi pourraient bien servir tous ces travaux, il répondit Revenez dans cinquante ans et quelqu’un vous le dira.

En 2010, soit cinquante ans après les premières structures de Perutz et Kendrew, la PDB hébergeait plus de 50 000 structures protéiques. En 2018, on a passé la barre des 140 000 structures et cet ensemble de données a une valeur inestimable pour les biochimistes du monde entier qui tentent de comprendre comment fonctionne leur protéine favorite.