Détermination des structures 3D des macromolécules biologiques par diffraction X. Partie 1

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 connaissance des structures tridimensionnelles de ces macromolécules soit seules, soit engagées dans des complexes spécifiques, est essentielle pour la 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 actuels de la biologie moléculaire 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). Cela justifie les investissements importants réalisés depuis plusieurs années dans les secteurs publics et privés.

La diffraction des rayons X par des monocristaux est la méthode par excellence pour l'étude 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 : petites protéines, oligonucléotides, acides ribonucléiques de transfert, immunoglobulines, complexes multienzymatiques, complexes nucléoprotéiques, virus d'insectes, de plantes ou de mammifères. 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 actuel des petites molécules organiques. 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 et le suivant. L'explosion actuelle de cette méthode est due aux progrès réalisés tant au niveau de la technologie (biologie moléculaire, source de rayons X, cryocristallographie, détecteurs de rayons X, moyens de calculs) qu'au niveau des logiciels de traitements des données de diffraction (collecte, phasage, affinement). Cela se traduit par un raccourcissement extraordinaire du délai séparant l'obtention d'un premier cristal de qualité à la détermination de la structure cristalline. Les progrès réalisés permettent une automatisation de plus en plus poussée du processus de détermination de structure. Une étude cristallographique peut être maintenant conduite en quelques semaines (voire quelques jours ou quelques heures) après l'obtention des premiers cristaux dont la limite de diffraction est raisonnable. Cette révolution permet à la cristallographie biologique de relever de nouveaux défis à la fois en recherche fondamentale et en recherche appliquée. Chaque nouvelle structure tridimensionnelle bouleverse et balaye la vision (parfois simpliste et très incomplète) du processus par lequel une fonction biologique est assurée. Ces nombreux progrès méthodologiques et techniques permettent d'aborder des problèmes de plus en plus complexes.

La lecture de cet article suppose une connaissance initiale de la cristallographie géométrique et une première initiation à la théorie de la diffraction des rayons X par des monocristaux. Le lecteur pourra consulter quelques références données à la fin de cet article en [Doc. P 1 110] pour compléter sa formation initiale.