Article de référence | Réf : P1110 v2

Enregistrement des données de diffraction
Biocristallographie - Cristallisation et collecte des données

Auteur(s) : Jean CAVARELLI

Relu et validé le 02 sept. 2020

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RÉSUMÉ

La diffraction des rayons X par des monocristaux est la méthode par excellence pour la détermination des structures tridimensionnelles des macromolécules biologiques à l’échelle atomique. La cristallographie a permis la détermination des structures tridimensionnelles de plusieurs dizaines de milliers de macromolécules biologiques dans des gammes de taille et de complexité très variées. Cet article traite des étapes de cristallisation et des collectes des données de diffraction en développant les spécificités propres aux cristaux de macromolécules biologiques.

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Auteur(s)

  • Jean CAVARELLI : Professeur de biologie structurale Université de Strasbourg Département de biologie structurale intégrative IGBMC,CNRS UMR 7104-Inserm U 1258, Strasbourg-Illkirch, France

INTRODUCTION

La diffraction des rayons X par des monocristaux est la méthode par excellence pour l’étude des macromolécules biologiques à l’échelle atomique. Le processus de détermination d’une structure de macromolécule biologique par diffraction des rayons X sur des cristaux est schématiquement divisé en six étapes :

  • obtention de la macromolécule à l’état pur (ou des macromolécules dans le cas d’assemblages) ;

  • cristallisation ;

  • collecte de données de diffraction ;

  • phasage ;

  • construction de la structure cristallographique par interprétation des cartes de densité électronique ;

  • affinement et validation de la structure.

Les trois dernières étapes sont décrites dans l’article [P 1 111].

Cet article traite des premières étapes de ce processus jusqu’à l’obtention des donnés de diffraction. Ces étapes se caractérisent par une miniaturisation et une automatisation poussée avec une intervention humaine de plus en plus réduite. Les propriétés physico-chimiques intrinsèques des macromolécules biologiques donnent naissance à des cristaux avec de grands paramètres de maille cristalline et un pouvoir de diffraction en général limité en comparaison du standard des petites molécules organiques. En décembre 2018, 57 % des structures cristallographiques déposées à la base de données RCSB PDB ont une limite de diffraction moins bonne que 2 Å et seulement 13 % une limite de diffraction meilleure que 1,6 Å. Cela impose des méthodes et des techniques adaptées tout au long du processus cristallographique. Cette méthodologie propre aux macromolécules biologiques va être présentée dans cet article.

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VERSIONS

Il existe d'autres versions de cet article :

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v2-p1110


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4. Enregistrement des données de diffraction

L’objectif de cette étape est de trouver pour chaque cristal utilisé, les paramètres de maille, le groupe d’espace, et d’obtenir pour chaque réflexion possible, caractérisée par ses indices hkl, l’intensité de cette réflexion I hkl et son erreur associée σ ( I hkl ), ce qui permet ensuite de calculer le module du facteur de structure |Fhkl | et son erreur associée σ (|Fhkl |). Pour simplifier, une expérience de collecte des données de diffractions comporte plusieurs éléments (figure 3) :

  • un dispositif de préparation des cristaux pour la collecte (le plus souvent montage en boucle ou tests directement sur plaque de cristallisation) ;

  • une source de rayons X (sources de laboratoires, synchrotrons, XFEL) ;

  • un système optique de focalisation et de monochromatisation des rayons X (miroirs, monochromateurs) ;

  • une méthode de collecte des données (méthode de rotation/oscillation) ;

  • un détecteur pour mesurer l’intensité des ondes diffusées (Pilatus et Eiger sont les références actuelles) ;

  • un logiciel de traitement des données (par exemple HKL3000, DIALS, Mosflm, XDS).

Dans le cas de la collecte des données par la méthode d’oscillation, qui est la méthode de référence actuelle pour les cristaux de macromolécules biologiques (§ 4.3.1), l’intensité diffractée I hkl pour chaque réflexion hkl est reliée au module du facteur de structure |Fhkl | par la relation de Darwin (hypothèse d’un cristal de parfaite mosacité en rotation avec une vitesse angulaire constante) :

I hkl =C I 0 V c V ...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - GRIMES (J.M.), HALL (D.R.), ASHTON (A.W.), EVANS (G.), OWEN (R.L.), WAGNER (A.), McAULEY (K.E.), von DELFT (F.), ORVILLE (A.M.), SORENSEN (T.) et al -   Where is crystallography going ?  -  Acta Crystallogr. D. Struct. Biol., 74, p. 152-166 (2018).

  • (2) - HELLIWELL (J.R.) -   New developments in crystallography : exploring its methods, technology and scope in the molecular biosciences.  -  Biosci. Rep. (2017).

  • (3) - GRABOWSKI (M.), NIEDZIALKOWSKA (E.), ZIMMERMAN (M.D.), MINOR (W.) -   The impact of structural genomics : the first quindecennial.  -  J. Struct. Funct. Genomics, 17, p. 1-16 (2016).

  • (4) - NG (J.T.), DEKKER (C.), REARDON (P.), von DELFT (F.) -   Lessons from ten years of crystallization experiments at the SGC.  -  Acta Crystallogr. D. Struct. Biol., 72(Pt 2), p. 224-235 (2016).

  • (5) - SCHIEBEL (J.), RADEVA (N.), KRIMMER (S.G.), WANG (X.), STIELER (M.), EHRMANN (F.R.) et al -   Six biophysical screening methods miss a large proportion of crystallographically discovered fragment hits : a case study.  -  ACS...

1 Sites Internet

Biologie structurale intégrative et plateformes technologiques

à l’echelle européenne, Instruct-ERIC https://www.structuralbiology.eu

une infrastructure francaise, FRISBI http://frisbi.eu

Structural biology knowledgebase http://sbkb.org/

Sources de rayonnement synchrotron

« A Structural Biologist’s Guide to High Energy Data Collection Facilities » http://biosync.sbkb.org

« the world’s light source facilities » https://lightsources.org/

SOLEIL https://www.synchrotron-soleil.fr/

ESRF http://www.esrf.eu/

Source XFEL européenne

« European XFEL » https://www.xfel.eu

Détecteurs

Pilatus et Eiger https://www.dectris.com/

Outils pour la cristallisation

Hampton Research https://hamptonresearch.com

Molecular Dimensions https://www.moleculardimensions.com

Qiagen https://www.qiagen.com

Jena Bioscience https://www.jenabioscience.com/

Pipelines de références en biocristallographie

CCP4 http://www.ccp4.ac.uk

Phenix http://www.phenix-online.org

Global...

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