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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. Cet article couvre le processus de détermination des phases, l’un des 3 problèmes majeurs de la biocristallographie, la construction et l’affinement de la structure dans les cartes de densité électronique et les méthodes de validation des structures. Les avancées technologiques et méthodologiques permettent de résoudre les cas simples de manière de plus en plus automatisée et de reculer continuellement les limites des questions abordables par biocristallographie.
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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
Le processus de détermination d’une structure de macromolécule biologique par diffraction des rayons X sur des cristaux est généralement 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. La purification de la (ou des) macromolécule(s) et l’obtention de cristaux de qualité (limite de diffraction meilleure que 3 Å) sont les deux premières étapes limitantes d’un projet structural. Ces étapes sont décrites dans l’article [P 1 110].
Cet article va de la détermination des phases, le troisième problème majeur de la biocristallographie, aux méthodes de contrôle-qualité des structures obtenues. Ces étapes se caractérisent actuellement par l’utilisation de méthodes mathématiques sophistées, implémentées dans des programmes de plus en plus automatisés et d’utilisations très simples. L’exploitation en routine de la diffusion anomale a révolutionné le problème des phases. Au cours des dernières années, des avancées méthodologiques majeures, accompagnées par des moyens informatiques de plus en plus performants aujourd’hui accessibles sur un ordinateur personnel, permettent, dans les cas simples, de résoudre rapidement une structure 3D à partir d’un nombre très limité de cristaux, parfois de très petites tailles (quelques micromètres) et cela avec un minimum d’intervention humaine. Toutes ces avancées permettent aux structuralistes de reculer continuellement les limites des problèmes abordables par biocristallographie.
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MOTS-CLÉS
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- Version archivée 1 de sept. 2009 par Jean CAVARELLI
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Préambule à la détermination des phases
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11. Conclusion
La cristallographie des macromolécules biologiques occupe une place centrale dans la biologie moderne car la structure tridimensionnelle d’une macromolécule ou d’un complexe macromoléculaire permet d’apporter un éclairage neuf et original qui est essentiel pour comprendre la fonction biologique. C’est le plus souvent une révolution, et plusieurs prix Nobel ont couronné les succès les plus marquants. La purification de la (ou des) macromolécule(s) et l’obtention de cristaux de qualité (limite de diffraction meilleure que 3 Å) reste toujours deux étapes limitantes d’un projet structural. De plus, la résolution du problème des phases est encore dans certains cas un processus long et fastidieux, en particulier pour les gros édifices macromoléculaires. Dans les cas simples, on détermine en routine des structures 3D à partir d’un nombre très limité de cristaux, parfois de très petites tailles (quelques micromètres) et cela avec un minimum d’intervention humaine. On entend ici par cas simple des macromolécules qui, dans l’état actuel des connaissances méthodologiques et technologiques, peuvent être facilement purifiées et cristallisées, présentent un pouvoir de diffraction suffisant et pour lesquelles le problème des phases peut être résolu de manière classique (en particulier par la méthode MAD/SAD). On comprend donc que les cas simples d’aujourd’hui étaient assez souvent les défis et prouesses technologiques d’hier.
Les objectifs scientifiques de la biologie structurale ont toujours été une force motrice pour des développements technologiques et méthodologiques. Ces développements repoussent sans cesse les limites des problèmes qui peuvent être abordées par cristallographie. L’utilisation conjointe de plusieurs méthodes et techniques (ce que l’on appelle biologie structurale intégrative), associées aux développements de la biologie moléculaire et cellulaire permettra de plus en plus de passer le cap d’une vision réductionniste des phénomènes à une vision cellulaire intégrée à l’échelle atomique (de la connaissance des mots à la compréhension de la littérature biologique). Dans ce cadre, la cristallographie est une science déjà ancienne, sans cesse remise en cause mais qui a toujours su ouvrir de nouveaux champs et reculer les limites pour visualiser et comprendre l’infiniment petit.
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BIBLIOGRAPHIE
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(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).
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(2) - MACKAY (J.P.), LANDSBERG (M.J.), WHITTEN (A.E.), BOND (C.S.) - Whaddaya know: a guide to uncertainty and subjectivity in structural biology. - Trends in Biochemical Sciences, 42, p. 155-167 (2017).
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(3) - SAYERS (Z.), AVSAR (B.), CHOLAK (E.), KARMOUS (I.) - Application of advanced X-ray methods in life sciences. - Biochimica et biophysica acta., 1861, p. 3671-3685 (2017).
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(4) - CHENG (R.K.Y.), ABELA (R.), HENNIG (M.) - X-ray free electron laser: opportunities for drug discovery. - Essays Biochem, 61, p. 529-542 (2017).
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(5) - SPENCE (J.) - XFELs for structure and dynamics in biology. - IUCrJ, 4, p. 322-339 (2017).
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...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
Biologie structurale intégrative
-
à l’échelle européenne, Instruct-ERIC https://www.structuralbiology.eu
-
une infrastructure francaise, FRISBI http://frisbi.eu
Pipelines de références en biocristallographie
-
CCP4. Une chaîne de programmes collaborative http://www.ccp4.ac.uk
-
Phenix http://www.phenix-online.org
-
Global Phasing Limited http://www.globalphasing.com
-
HKL3000 http://www.hkl-xray.com
Accès aux données
-
Base de données PDB (RCSB) http://www.rcsb.org
-
Comprendre la PDB https://pdb101.rcsb.org
Bibliographie plus générale
http://jean.cavarelli.free.fr/bsi/progs/xray_progs.html
HAUT DE PAGE
Collecte de données :
• HKL2000/HKL3000, MOSFLM, XDS
• systèmes experts: xia2, autoproc
Phasage MIR, MAD, SAD
• SHARP, SOLVE, CRANK2,SHELX
Remplacement moléculaire :
• Phaser, Molrep, AMoRe, ARCIMBOLDO
• systèmes...
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