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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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-
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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- Version archivée 1 de sept. 2009 par Jean CAVARELLI
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Présentation
Purification des macromolécules biologiques
English
1. Préambule
Les molécules biologiques responsables de toute vie cellulaire sont des hétéropolymères de très grande taille appartenant à deux familles : les protéines et les acides nucléiques. Les processus biologiques sont les résultats d’interactions complexes et dynamiques (dans l’espace et dans le temps) soit de macromolécules biologiques entre elles, soit de macromolécules avec de petits substrats cellulaires. La fonction biologique d’une macromolécule donnée étant gouvernée par sa structure dans l’espace (structure tridimensionnelle), la connaissance des structures tridimensionnelles est donc une condition nécessaire à une compréhension à l’échelle atomique des fonctions biologiques.
Les structures 3D sont des outils précieux dans l’étude des réactions complexes à l’origine des mécanismes du vivant et jouent de plus un rôle intégrateur et fédérateur dans le processus complexe et pluridisciplinaire allant d’une tumeur à son médicament et couvrant des domaines de recherche allant de la génomique intégrative à la modélisation moléculaire. La connaissance de ces structures est l’un des piliers de plusieurs disciplines du domaine des sciences du vivant et représente une source de progrès qui génère des retombées non seulement en recherche fondamentale mais aussi en recherche appliquée (domaine de la santé humaine, biotechnologies). L’histoire de la cristallographie et de la biologie structurale est jalonnée par 29 Prix Nobel.
L’une des révolutions des années 2000 a été le séquençage complet de plusieurs centaines de génomes, ce qui a produit une quantité importante de séquences de gènes dont la fonction était inconnue, c’est-à-dire non prédictible à partir de la connaissance de la séquence seule. Pour un gène donné, la connaissance de la structure de la macromolécule correspondante permet en comparaison à une base de données de connaissances, d’assigner une ou plusieurs fonctions à ce gène.
Cela a donné naissance à un recours massif à la cristallographie, commencé au début des années 2000, pour déterminer des structures 3D à haut débit (on a alors parlé de génomique structurale). Des investissements importants ont été réalisés à l’échelle mondiale dans les secteurs publics et privés. Cette génomique structurale a été une force...
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Préambule
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).
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(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...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
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
Phenix http://www.phenix-online.org
Global...
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QUIZ ET TEST DE VALIDATION PRÉSENTS DANS CET ARTICLE
1/ Quiz d'entraînement
Entraînez vous autant que vous le voulez avec les quiz d'entraînement.
2/ Test de validation
Lorsque vous êtes prêt, vous passez le test de validation. Vous avez deux passages possibles dans un laps de temps de 30 jours.
Entre les deux essais, vous pouvez consulter l’article et réutiliser les quiz d'entraînement pour progresser. L’attestation vous est délivrée pour un score minimum de 70 %.
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