Parlez à n’importe quel biologiste structural et il vous dira comment une nouvelle méthode intéressante s’empare de son domaine. En gelant instantanément les protéines et en les bombardant d'électrons, la microscopie cryo-électronique (cryo-EM) peut cartographier les formes des protéines avec une résolution proche de l'atome, offrant des indices sur leur fonction et révélant des bosses et des creux que les développeurs de médicaments peuvent cibler. La technique peut capturer des protéines ondulantes dans de multiples configurations, et elle peut même capturer celles qui étaient interdites à l'analyse aux rayons X traditionnelle car elles résistent obstinément à la cristallisation. De nombreux chercheurs s’attendent à ce que la cryo-EM dépasse la cristallographie aux rayons X en termes de nombre de nouvelles structures protéiques résolues l’année prochaine.
Pourtant, malgré tous ses charmes, la cryo-EM a des défauts : le processus de congélation est capricieux et les microscopes sont chers. Les machines haut de gamme peuvent coûter plus de 5 millions de dollars à l'achat, autant à installer et des centaines de milliers de dollars par an à exploiter et à entretenir. De nombreux États et pays américains ne disposent pas d’un seul microscope cryo-EM. "Il y a actuellement des nantis et des démunis", explique Rakhi Rajan, biologiste structural à l'Université d'Oklahoma, qui en manque actuellement.
Les chercheurs du Laboratoire de biologie moléculaire (LMB) du Conseil de recherches médicales s’efforcent de démocratiser ce domaine. Aujourd'hui, dans les Actes de la National Academy of Sciences, l'équipe britannique décrit le bricolage d'un prototype de microscope cryo-EM qui a résolu ses premières structures. La machine – ce que Chris Russo, physicien du LMB, appelle une « petite berline bon marché » plutôt qu'une « Ferrari » – pourrait rivaliser avec les machines haut de gamme en termes de capacités pour un dixième du coût.
Russo souhaite qu'un fabricant commercialise le design de son équipe, qui, selon lui, pourrait être construit et vendu pour 500 000 $. C'est à la portée du package de démarrage d'une nouvelle recrue ou de l'une des subventions d'équipement régulières offertes par les National Institutes of Health (NIH) ou la National Science Foundation, explique Bridget Carragher, directrice technique fondatrice du Chan Zuckerberg Imaging Institute. « Ce serait une machine merveilleuse », dit-elle. "Tous ceux qui veulent faire de la biologie structurale pourraient le faire."
Les progrès récents en matière d’intelligence artificielle (IA) pourraient sembler offrir un moyen encore moins coûteux de faire de la biologie structurale. Les algorithmes d’IA peuvent prédire avec précision la structure d’une protéine à partir de sa simple séquence d’acides aminés. Mais comme les IA sont entraînées sur des structures connues, leurs prédictions faiblissent parfois en raison de configurations protéiques inhabituelles, dit Russo, et elles ne remplacent toujours pas la cryo-EM.
Pour améliorer l'accès aux microscopes cryo-EM haut de gamme existants, le NIH a créé trois centres nationaux où les chercheurs démunis peuvent envoyer des échantillons pour analyse. Mais le système en étoile pose des problèmes. Rajan passe souvent des mois à attendre les résultats des centres nationaux, pour finalement découvrir que ses échantillons étaient ratés. Même si elle s'améliore dans la congélation de ses protéines, Rajan estime que moins de 10 % de ses échantillons ont donné lieu à de bonnes données.
C’est pourquoi, même si les chercheurs ne peuvent pas se permettre un microscope cryo-EM de pointe, beaucoup souhaitent un appareil de criblage capable au moins de vérifier la qualité des échantillons avant de les envoyer aux centres nationaux pour obtenir des images à plus haute résolution. C’était l’une des principales motivations de Russo et de ses collègues, parmi lesquels Richard Henderson, lauréat du prix Nobel au LMB et pionnier de la cryo-EM. L’une des principales conclusions de l’équipe est que le faisceau d’électrons n’a pas besoin des énergies généralement utilisées dans les microscopes cryo-EM haut de gamme. Des niveaux de 100 kiloélectronvolts (KeV), soit un tiers de cette valeur, suffisent à révéler la structure moléculaire et réduisent les coûts en éliminant le besoin d'un gaz réglementé, l'hexafluorure de soufre, pour éteindre les étincelles. L’équipe a également constaté que le système de lentilles qui focalise les électrons et le détecteur qui les capture après avoir sondé l’échantillon pourraient être améliorés.
Avec le prototype résultant, le groupe LMB a déterminé la structure de 11 protéines diverses. L’une d’elles était l’apoferritine, une protéine stockant le fer, qui est devenue une référence pour les enregistrements de résolution cryo-EM. Les chercheurs du LMB l'ont cartographié à 2,6 angströms, soit 2,6 fois le diamètre d'un atome d'hydrogène. Ce n’est pas aussi élevé que la résolution record de cryo-EM de 1,2 angströms, mais c’est suffisant pour créer un modèle atomique, dit Russo. Et le processus a été rapide. Étant donné que le microscope se trouvait dans le même laboratoire que l'étape de congélation, l'équipe a pu vérifier rapidement que ses échantillons étaient suffisamment bons, plutôt que d'attendre des semaines les résultats d'une machine haut de gamme. « Chaque structure a été réalisée en moins d'une journée », explique Russo.
Thermo Fisher Scientific, qui fabrique une machine haut de gamme, affirme être déjà en train d'élargir le marché de la cryo-EM. En 2020, elle a commencé à vendre une option moins coûteuse, appelée Tundra, fonctionnant à 100 KeV. «Je dirais qu'il y a des universités qui n'ont probablement jamais cru pouvoir posséder la cryo-EM et qui disposent désormais des outils nécessaires», déclare Trisha Rice, vice-présidente qui dirige l'activité cryo-EM de l'entreprise. En effet, l’université de Rajan vient d’en commander un pour 1,5 million de dollars.
Russo affirme que Tundra est un pas dans la bonne direction, mais que les innovations de son équipe pourraient rendre le cryo-EM encore moins cher. Par exemple, dit-il, Tundra réduit l'énergie sur une version simplifiée de la source d'électrons coûteuse utilisée dans les microscopes haut de gamme, alors que le canon à électrons du prototype LMB a été conçu à partir de zéro pour 100 KeV. Mais il comprend que la commercialisation du design de son équipe nécessiterait des investissements importants de la part des fabricants potentiels. «Nous parlons à tous», dit Russo. "Mais en fin de compte, c'est à eux de décider."
