Au cours des dernières années, les grands titres de la presse relatifs à la recherche étaient surtout consacrés aux progrès obtenus dans les télécommunications en général et dans l'Internet en particulier. Toutefois, pendant ce temps-là, les autres secteurs de la recherche scientifique n'étaient pas mis en veilleuse et ceci est particulièrement vrai en Israël. Ainsi, à l'Institut Weizmann, le professeur ADA YONATH a réussi une percée fabuleuse dans la mise à jour du mécanisme de fonctionnement des ribosomes par la cristallisation de cette "fabrique de protéines". Mais avant de comprendre comment nous bénéficierons directement de cette découverte dont les applications directes ne sont pas encore toutes définies tant dans les domaines de la prévention, des traitements médicaux et de l'agroalimentaire, une petite explication de base s'impose.
Le ribosome est le composant le plus compliqué présent dans toutes les cellules vivantes, il assure la phase de traduction de la synthèse des protéines. Il s'agit d'un organite cytoplasmique corpusculaire hybride composé de 1/3 de protéine et de 2/3 d'ARN (acide ribonucléique). Le ribosome, qui contient de nombreuses molécules, est petit par rapport à nos unités de mesures quotidiennes, mais gigantesque en fonction des autres éléments présents dans une cellule. Il effectue à une vitesse pratiquement incalculable une activité vitale: la synthèse exacte des protéines qui forment les structures du corps, tels les muscles ou le collagène, et qui catalysent les réactions chimiques dans les milieux vivants. Les ribosomes sont donc présents partout dans la nature et ne semblent pas différer d'une espèce à l'autre.
La recherche faite par le professeur Yonath avait été entreprise avant elle par une quinzaine de détenteurs de Prix Nobel, qui avaient tous échoué. Il existe au monde trois grands centres de recherche des ribosomes: Moscou, Berlin et Strasbourg. Lorsque le professeur Yonath annonça qu'à son tour, elle s'intéressait au fonctionnement de cette "fabrique" qui crée toutes les autres protéines du corps, elle déclencha l'hilarité de ses collègues dans le monde entier. Mais lorsque ceux-ci réalisèrent que Ada Yonath n'était pas seulement sur la bonne voie, mais en ligne pour obtenir un Prix Nobel, ses détracteurs prirent le train en marche, copiant ses méthodes et tentant de la battre sur le poteau d'arrivée. Pendant plus de vingt ans, le professeur Ada Yonath concentra ses recherches sur l'une des questions les plus importantes et les plus complexes de la biologie moléculaire, qu'il ne serait pas raisonnable de vouloir résumer dans un article bref et vulgarisé. Toutefois, au cours d'une conversation, le professeur Yonath nous a notamment dit: "Afin de comprendre le fonctionnement des ribosomes, il est essentiel de reconnaître et de déchiffrer leur structure. En biologie, c'est la structure qui détermine le fonctionnement. Or il n'existe aucun microscope au monde avec lequel il soit possible de voir les détails qui peuvent expliquer le commandement du fonctionnement. Nous devions donc arriver à cristalliser cet ensemble de molécules qui constitue la structure de base du ribosome."
Pour la petite histoire, plusieurs anecdotes jalonnent les longues et difficiles années de recherches du professeur Yonath. Toutefois, l'une d'entre-elles mérite d'être narrée brièvement. A l'issue d'un congrès scientifique dans les Rocheuses, au Canada, fin 1970, le professeur Yonath fut invitée à participer à une excursion dans les sources chaudes naturelles de la région. Dans le groupe des congressistes se trouvait un scientifique allemand du nom de Heinz Günter Wittmann, le directeur du fameux Institut de génétique moléculaire Max Planck, de Berlin. Cette éminente personnalité sympathisa avec Ada Yonath et lui offrit de venir travailler avec lui pendant deux mois. Le laboratoire employait alors 120 chercheurs et Ada Yonath découvrit que les congélateurs de l'institut du Dr Wittmann regorgeaient de ribosomes purs, véritable mine d'or pour la recherche dans ce domaine. Ceux-ci avaient été récupérés comme "déchets" d'une autre série d'expériences scientifiques. La coopération qui s'établit alors entre les deux scientifiques se transforma très rapidement en une relation de travail très solide. Depuis cette date et pendant près de vingt ans, la scientifique israélienne passa près de la moitié de son temps en Allemagne. Durant dix ans, elle dirigea les travaux de recherche sur les ribosomes, effectués dans l'accélérateur de particules DESY installé à Hambourg. Après le décès du Dr Wittmann en 1989, Ada Yonath travailla avec le professeur François Franceschi à l'Institut Max Planck de Berlin. A cette époque, de nombreuses publications scientifiques affirmaient fermement que les ribosomes ne pouvaient en aucun cas être cristallisés, étant instables et se désintégrant dès qu'ils étaient sortis de l'organisme vivant. Ada Yonath avait une idée toute différente du problème, se posant une question simple: "Les ours polaires hibernent et logiquement, puisque toute activité vitale est interrompue, les ribosomes devraient se désintégrer rapidement. Or, dès le premier instant après leur réveil, ces ours fabriquent à nouveau des protéines. Comment cela est-il possible si les ribosomes ne survivent pas à l'hiver ?" Elle trouva une étude démontrant que dans les cellules d'hibernation des ours, les ribosomes étaient rangés les uns à côté des autres, comme des cristaux. Elle constata également que sous une forte pression, les ribosomes se réunissent et forment un bloc à l'intérieur de la cellule qui ressemble aussi à un cristal. Ce sont ces deux découvertes qui la confortèrent dans son idée de poursuivre sa recherche, bien que le monde scientifique ne voyait en elle qu'une rêveuse sans avenir. Malgré les bonnes conditions de travail dans lesquelles Ada Yonath pouvait effectuer ses travaux entre Rehovot, Hambourg et Berlin, elle mit dix longues années avant de pouvoir présenter les premiers résultats.
En raison de l'ampleur de cette découverte, nous avons estimé nécessaire de relater ici l'historique technique des recherches du professeur Yonath et de ses équipes. Nous remercions le Dr Heike Bartels de Hambourg d'avoir accepté de résumer pour nous l'essentiel de ses travaux.
Le professeur Ada Yonath a réussi à décrire avec la plus grande précision les interactions des antibiotiques avec les ribosomes dans la cellule bactérienne, au niveau moléculaire. A la base de la recherche sur les antibiotiques se trouvent les structures, analysées au cours des années 2000 et 2001, des petites et grandes sous-unités du ribosome bactérien, l'un des fruits les plus spectaculaires et les plus longtemps convoités des travaux de recherche des dernières années, et qui constituent le couronnement de la vie consacrée à la recherche du professeur Yonath. Ce que personne ne considérait initialement comme étant possible s'est réalisé un quart de siècle plus tard, par la solution des structures moléculaires les plus compliquées connues jusqu'alors.
Les ribosomes sont plus précisément des organites cellulaires universels qui traduisent le code génétique des protéines indispensables à la vie. Le ribosome est composé de deux sous-unités distinctes qui remplissent chacune des fonctions différentes dans le cadre de la biosynthèse des protéines. La petite sous-unité (30S des procaryotes, composée d'un ARN 16S et de 20 protéines ribosomales) est nécessaire à la traduction du code génétique dont l'ARN messager est le calque. La grande sous-unité (50S des procaryotes, composée d'un ARN 5S, d'un 23S, et de 33 protéines ribosomales) réunit les différents acides aminés en une longue chaîne peptidique correspondant au message génétique. En raison du rôle central qu'il joue dans la biosynthèse protéique, le ribosome est en même temps la cible d'un grand nombre d'antibiotiques. A l'heure actuelle, la plus grande partie des antibiotiques ne sont pas utilisés à vrai dire pour combattre les infections bactériennes de l'homme, mais le sont dans l'industrie alimentaire. Il en résulte, dans une proportion toujours croissante, des résistances aux antibiotiques auxquelles le développement de nouveaux médicaments arrive difficilement à faire face. Grâce à la reconnaissance de la structure des ribosomes bactériens, de leurs deux sous-unités et des complexes qu'elles forment avec les antibiotiques, un moyen rapide et simple est mis à disposition de la recherche pour comprendre les multiples interactions et promouvoir des modèles de médicaments bien ciblés, et de prix modéré.
Il a fallu en effet parcourir jusqu'ici un chemin parsemé d'embûches. La cristallographie des protéines a effectivement commencé à sortir de l'enfance au moment où le professeur Yonath s'est attaquée au ribosome. Selon cette méthode, la structure à étudier est tout d'abord cristallisée, puis les cristaux ainsi obtenus sont soumis à des rayons X de haute intensité. A l'aide des diagrammes de diffraction et de procédés mathématiques, on parvient finalement à résoudre la structure tridimensionnelle. Les observations selon lesquelles les ribosomes des lézards s'ordonnent en piles sur les parois cellulaires, durant la période de froid en hiver, ont conduit le professeur Yonath à en déduire que même les ribosomes, ces énormes complexes protéiques extrêmement instables, pouvaient être cristallisés.
La collaboration avec le professeur H.G. Wittmann, de l'Institut de génétique moléculaire Max Planck de Berlin, a abouti en 1980 à la publication de la première cristallisation d'une sous-unité d'un ribosome bactérien. Maints chercheurs avaient déjà tenté d'y parvenir, en recourant la plupart du temps au "cobaye" des biologistes, la bactérie Escherichia coli, mais avaient échoué. L'"astuce" du professeur Yonath, consistant à utiliser des bactéries d'espèces extrêmement thermophiles ou halophiles, celles-ci étant en quelque sorte habituées au stress, lui a donné raison. Les premiers cristaux sont provenus de ribosomes des bactéries thermophiles Bacillus stearothermophilus et Thermus thermophilus, et de la bactérie extrêmement halophile Haloarcula marismortui, qui se trouve dans la mer Morte. A l'heure actuelle, on utilise d'une manière accrue, lors de recherches structurelles, la grande sous-unité ribosomale du Deinoccus radiodurans, un bacille extrêmement résistant aux rayons.
Les premiers résultats de cristallisation ont cependant constitué une déception en ce qui concerne l'effet de l'irradiation subséquente. Les cristaux se sont révélés extrêmement sensibles à une forte irradiation aux rayons X, et ont brûlé après quelques secondes sous ce rayonnement. Il fallait donc relever un nouveau défi, qui fut surmonté en 1989 au moyen de la méthode de la cryo-cristallographie. Là également, le professeur Yonath a fait figure de pionnier: en collaboration avec le pofesseur Hakon Hope, de l'Université Davis de Californie, et du Dr Felix Frolow, de l'Institut Weizmann, les cristaux ont été placés, avant l'irradiation, dans des solutions pour la cryogénie, et ensuite réfrigérés soudainement à -180 degrés Celsius dans des éprouvettes spéciales. Une installation de réfrigération spécialement mise au point maintenait les cristaux à des températures très basses, également pendant l'irradiation; une méthode devenue courante de nos jours dans l'analyse des cristaux protéiques.
Parallèlement, des coupes minces bidimensionnelles de cristaux de ribosomes ont été examinées au microscope électronique, sous différents angles d'inclinaison, à la suite de quoi la découverte du tunnel de la grande sous-unité ribosomale a été annoncée en 1989. Alors présumé, il est aujourd'hui possible de démontrer, sur la base de la structure et du mode de liaison des antibiotiques et des composants ribosomaux, que le tunnel montre la voie empruntée par la chaîne protéique en train de se constituer, avant de quitter le ribosome.
Les années suivantes ont été caractérisées par l'examen de plusieurs milliers de cristaux, conduisant à une optimisation dans la culture de bactéries, la préparation, la cristallisation et les méthodes de dérivation. Outre le développement et l'utilisation de nouveaux programmes pour le traitement des données, les solutions dans le domaine de la réfrigération, du processus de cryogénie, de même que le système de transport et de stockage des cristaux déjà refroidis ont été mis au point empiriquement.
En 1991, il a été possible de déterminer, pour la première fois avec le Synchrotron CHESS (Cornell High Energy Synchrotron Source), Cornell University, N.Y., États-Unis, la structure à 3A de cristaux de la grande sous-unité ribosomale du Haloarcula marismortui. On était ainsi parvenu à la résolution moléculaire, ce qui constitue un nouveau jalon dans la cristallographie ribosomale.
Les premières cartes de densité électronique de résolution moyenne de la petite sous-unité ribosomale du Thermus thermophilus et de la grande sous-unité du Haloarcula marismortui existaient dès 1995. En dépit de tous les efforts déployés, il ne fut pas possible d'améliorer la résolution atteinte avec les premiers cristaux ribosomaux de la bactérie Bacillus stearothermophilus.
Les synchrotrons de la quatrième génération, qui surpassaient nettement leurs prédécesseurs en intensité et en capacité de focalisation, ont finalement permis une percée dans la résolution des cristaux ribosomaux. Les mesures et l'exploitation des données à l'ESRF (European Synchrotron Radiation Facility), Grenoble, France, et à l'APS (Argonne Photon Source), Chicago, IL, États-Unis, ont abouti à l'établissement de cartes de densité électronique dans lesquelles l'ARN ribosomal et également les protéines ont pu être identifiés et inclus dans les modèles.
Le but était atteint. En 2000, la structure de la petite sous-unité ribosomale du Thermus thermophilus a d'abord pu faire l'objet d'une publication. Sur cette base, les groupes de recherche ont pu décrire les complexes de la petite sous-unité 30S avec le facteur d'initiation IF3, ainsi qu'avec deux antibiotiques: la tétracycline et l'édéine.
Le facteur d'initiation IF3 se lie, au début de la biosynthèse de la protéine, à la sous-unité 30S, avant que celle-ci ne s'assemble avec la grande sous-unité, l'ARN messager, l'ARN de transfert initiateur, et d'autres facteurs, à l'ensemble du ribosome 70S. IF3 veille à prévenir un ancrage prématuré des deux sous-unités et assure le contrôle de l'installation de l'ARNm avec le codon adéquat. L'analyse de la structure des cristaux de ce complexe a permis d'élucider certaines fonctions de IF3 au niveau structurel.
La structure du complexe que forme la tétracycline avec la sous-unité 30S montre un point d'ancrage primaire de l'antibiotique sur la particule ribosomale qui correspond avec celle de l'ARNt. Ainsi, lorsque la tétracycline est liée au ribosome bactérien, aucune autre biosynthèse protéique ne peut se produire, de sorte que la bactérie meurt.
L'édéine ne s'attache pas seulement aux ribosomes des bactéries, mais aussi à ceux de chaque cellule, indépendamment de son origine phylogénétique. Il a pu être démontré que l'édéine se lie en une région universellement conservée qui, au travers de modifications de conformation dynamiques, participe directement au processus d'initiation, et bloque cette dynamique.
Un an plus tard seulement, en 2001, il a été possible d'analyser la structure de la grande sous-unité ribosomale de Deinoccocus radiodurans, séparément et en association avec des antibiotiques cliniquement importants, tels que la clindamycine, le chloramphénicol et l'érythromycine.
Le chloramphénicol est connu comme antibiotique à large spectre, alors que la clindamycine est utilisée entre autres pour le traitement de pneumonies, dues à des pneumocystes, de patients atteints du SIDA. Les structures du complexe des deux antibiotiques avec la sous-unité ribosomale 50S confirment que la biosynthèse protéique est interrompue par un "mimétisme moléculaire". Les antibiotiques forment des structures qui ressemblent à celles des acides aminés propres aux cellules et vont, de ce fait, se lier au ribosome. Cependant, étant donné qu'aucune liaison peptidique ne peut intervenir, la réaction du peptidyltransferase est interrompue.
L'érythromycine appartient au groupe des antibiotiques de type macrolide, utilisés dans un grand nombre d'infections bactériennes. Des recherches structurelles démontrent que cette catégorie d'antibiotiques bloque le tunnel de la sous-unité 50S par lequel passent les protéines naissantes. Il s'ensuit un arrêt de la synthèse protéique.
Le professeur Yonath projette à l'avenir de comprendre la dynamique de la biosynthèse protéique au niveau du ribosome par ses multiples modifications de conformation. Il existe déjà des complexes ayant des analogies avec les substrats, et qui permettront probablement de mieux comprendre la mécanique du ribosome.
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