Examiner le monde au niveau moléculaire est difficile. Mais essayer de se concentrer sur les molécules en mouvement est une tâche encore plus ardue. Cette année, le prix Nobel de chimie rend hommage au travail de trois scientifiques qui ont mis au point une technique permettant de geler les blocs de construction minuscules de la vie et de les étudier de près.
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En chimie, la structure est souvent étroitement liée à la fonction d'une molécule. Ainsi, en examinant de près les structures qui composent tous les domaines de la vie, des virus aux plantes, en passant par l'homme, les chercheurs peuvent être en mesure de mettre au point de meilleurs traitements et de meilleurs remèdes contre la maladie.
"Une image est une clé pour comprendre", selon le communiqué de presse de l'Académie royale des sciences de Suède annonçant l'attribution du prix.
Depuis les années 1930, les microscopes électroniques - dans lesquels des faisceaux d’électrons sont utilisés pour imager les moindres détails d’objets - permettent aux scientifiques d’entrevoir les plus petites parties de notre monde. Mais cette technologie n’est pas idéale pour étudier les structures des organismes vivants, rapporte Laurel Hamers pour Science News .
Pour que le microscope électronique fonctionne correctement, l'échantillon doit être placé dans un vide, ce qui assèche les tissus vivants et peut déformer certaines des structures que les scientifiques espèrent étudier. L'échantillon est également bombardé de radiations nocives. D'autres techniques, telles que la cristallographie aux rayons X, ne permettent pas de représenter la vie à l'état naturel, car les molécules d'intérêt doivent rester cristallisées de manière rigide.
Pour le biologiste moléculaire écossais Richard Henderson, ces restrictions étaient tout simplement impraticables si l’on examinait les molécules qui composent les cellules vivantes. À partir des années 1970, il a mis au point une technique utilisant un microscope électronique pour imager une protéine jusqu'au niveau atomique, rapporte Erik Stokstad de Science . Le microscope était réglé sur une puissance faible, ce qui a créé une image floue pouvant ensuite être modifiée en une résolution plus haute en utilisant les motifs répétitifs de la molécule comme guide.
Mais que se passe-t-il si les échantillons ne sont pas répétitifs? C'est là qu'intervient le biophysicien allemand Joachim Frank. Il a développé une technique de traitement permettant de créer des images nettes en trois dimensions de molécules non répétitives. Il a pris les images de faible puissance sous différents angles, puis a utilisé un ordinateur pour regrouper des objets similaires et les aiguiser, créant ainsi un modèle 3D de la molécule vivante, rapporte Kenneth Chang du New York Times .
Au début des années 1980, le biophysicien suisse Jacques Dubochet a trouvé un moyen d’utiliser des échantillons humides sous le vide du microscope électronique. Il a découvert qu'il pouvait rapidement geler de l'eau autour des molécules organiques, ce qui préservait leur forme et leurs structures sous l'effet de distorsion du vide.
Ensemble, ces techniques "ont ouvert pour l'essentiel une sorte de nouveau domaine de la biologie structurale jusque-là inaccessible", a déclaré Henderson à propos de la microscopie à cryo-électronique dans une interview avec Adam Smith de Nobel Media.
Depuis leurs découvertes, les scientifiques ont travaillé à affiner en permanence la résolution de cette technique, permettant des images encore plus détaillées des plus petites molécules organiques, rapporte Ben Guarino du Washington Post . Cette technique a été largement utilisée en biologie moléculaire et même en médecine. Par exemple, à la suite de l'épidémie dévastatrice du virus Zika, les chercheurs ont pu déterminer rapidement la structure du virus par microscopie à cryo-électronique, ce qui peut permettre de produire des vaccins.
«Cette découverte ressemble à Google Earth pour les molécules», déclare Sharon Begley de STAT, Allison Campbell, présidente de l'American Chemical Society. En utilisant cette microscopie à cryoscopie électronique, les chercheurs peuvent maintenant effectuer un zoom avant pour examiner les détails les plus infimes de la vie sur Terre.
