La structure fine d'un virus gelé

En affinant une technique d'imagerie émergente et en exploitant un puissant réseau informatique, les chercheurs ont entrevu la structure tridimensionnelle d'un virus avec des détails sans précédent. Les images, qui capturent le virus dans un état quasi natif, ont une résolution suffisamment fine pour que les squelettes de protéines individuelles puissent être tracés, un exploit jamais accompli auparavant pour un organisme entier et intact.

Géographie d'un virus : À l'aide d'une technique appelée cryomicroscopie électronique à particule unique, la coque protéique - appelée capside - du virus epsilon 15 a été imagée avec des détails sans précédent.

C'est une évolution majeure, dit Paul Matsudaira , directeur du Centre de bioimagerie de la Institut Whitehead pour la recherche biomédicale , qui n'a pas participé aux travaux.

Cette réalisation particulière est essentiellement une vitrine de la façon dont cette technique a progressé à un niveau proche de la résolution atomique, et qui nous permet d'imager un véritable virus infectieux vivant dans un environnement quasi-natif, dit Wen Jiang , professeur adjoint de sciences biologiques à Université Purdue , qui a dirigé l'étude. Les résultats ont été publiés dans le numéro du 28 février de la revue La nature .

La technique, appelée cryomicroscopie électronique à particule unique, consiste à congeler rapidement des virus entiers dans une solution aqueuse, une méthode qui préserve leur structure naturelle. Le processus de congélation est si rapide que la glace résultante est amorphe plutôt que cristalline, ce qui signifie qu'il n'y a pas de cristaux de glace pour endommager les particules virales. L'échantillon congelé est ensuite bombardé par un faisceau d'électrons provenant d'un microscope électronique.

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Les images résultantes ont permis aux chercheurs de distinguer des structures aussi proches que 4,5 angströms. À un peu moins d'un demi-nanomètre, cette distance est suffisamment petite pour révéler des détails proches du niveau atomique. Des images antérieures du même virus, également générées par le groupe de Jiang, ont donné une résolution d'environ 9,5 angströms, assez fine pour éclairer certaines caractéristiques à grande échelle de protéines individuelles, mais pas assez fine pour retracer les épines dorsales de ces protéines.

Dans d'autres types d'imagerie, les structures à imager, qu'il s'agisse de virus entiers ou d'assemblages de protéines élaborés, doivent être disposées de manière à ce que toutes les particules individuelles soient orientées exactement dans la même direction. Ce processus nécessite des techniques de cristallisation avancées auxquelles de nombreuses structures, y compris le virus utilisé dans cette étude, ne se prêtent pas.

Le virus, appelé epsilon 15, appartient à une famille de virus qui infectent les bactéries et ont des génomes et des queues à ADN double brin. Quand vous avez une queue qui dépasse, cela rend la cristallisation assez difficile, dit Jiang.

La cryomicroscopie électronique à particule unique élimine complètement l'étape de cristallisation. Les nombreuses particules à imager sont mises en réseau et imagées dans des orientations aléatoires, puis un seul modèle tridimensionnel composite est assemblé à partir de dizaines de milliers de ces images. En fait, plus les orientations sont capturées, meilleur sera le modèle.

Cela vous donne la possibilité de résoudre des structures qui ne peuvent pas être cristallisées, explique Matsudaira.

L'approche à particule unique améliore également la qualité de l'image en protégeant les virus relativement fragiles d'une dégradation importante par le faisceau d'électrons du microscope. Étant donné que le modèle final est construit à partir d'images d'un grand nombre de particules virales, aucune particule ne doit être bombardée assez longtemps pour accumuler des dommages majeurs.

Assembler les nombreuses images dans un composite nécessite une énorme puissance de calcul. Jiang et son groupe ont exploité le pool Condor de Purdue, une ressource qui utilise les cycles CPU inactifs des ordinateurs du campus. Au total, le projet a pris environ un million d'heures CPU, réparties sur environ 100 jours.

C'est cette puissance de calcul, ainsi que les améliorations apportées au logiciel de traitement d'images, qui ont permis aux chercheurs de générer un modèle à haute résolution. Parce qu'ils disposaient des ressources nécessaires pour gérer une entrée massive de données, ils pouvaient combiner beaucoup plus d'images pour créer le composite.

Les utilisations antérieures de la cryomicroscopie électronique pour modéliser les structures des virus reposaient sur des raccourcis, par exemple en supposant que la structure du virus serait hautement symétrique. Grâce au pool Condor, le groupe de Jiang a pu éviter de telles simplifications en déterminant comment les protéines de surface du virus s'emboîtent.

Ils ont fait l'expérience pure, qui consistait à résoudre la structure sans supposer de symétrie, dit Matsudaira. C'est, dit-il, l'innovation la plus importante du projet, encore plus que la résolution de 4,5 angströms.

À partir d'environ 36 000 images de particules uniques, les chercheurs ont reconstitué un modèle de la coque protéique d'epsilon 15, connue sous le nom de capside. Des travaux antérieurs suggéraient que la capside n'incorporait qu'une seule protéine majeure. Mais en plus de tracer l'épine dorsale de cette protéine, le nouveau modèle a révélé une mystérieuse deuxième protéine - beaucoup plus petite que la première - qu'aucune étude structurelle ou biochimique précédente n'avait prédite.

Lorsque le groupe a réanalysé les protéines constitutives du virus en utilisant une méthode de dépistage biochimique plus sensible, ils ont en effet trouvé des preuves de la plus petite protéine.

Jiang dit que ce résultat bouleverse l'analyse structurelle conventionnelle. Habituellement, la constitution biochimique d'une particule est utilisée pour aider à dériver sa structure. Ici, la structure du virus, telle que révélée par cette nouvelle analyse puissante, a permis de découvrir une caractéristique biochimique auparavant négligée.

Habituellement, la structure repose sur la biochimie, explique Matsudaira, mais c'était exactement le contraire.

À l'avenir, Jiang espère améliorer encore la résolution des images produites par cryomicroscopie électronique à particule unique. En affinant davantage le logiciel et en invoquant peut-être encore plus de puissance de calcul, il prévoit qu'il sera peut-être possible d'atteindre une résolution de trois angströms au cours des prochaines années. Ce niveau de détail permettrait de découvrir des fonctionnalités au niveau atomique.

Au-delà de l'epsilon 15, la technique pourrait être utilisée pour créer des modèles structurels d'autres virus plus pertinents sur le plan clinique. Le laboratoire de Jiang applique actuellement la nouvelle approche au virus du Nil occidental et au virus de la dengue. Des structures protéiques élaborées autres que les capsides virales seraient également des cibles idéales.

Cela ne fait qu'effleurer la surface de cette technique, dit Jiang. Le potentiel de la technique est bien plus que ce que nous avons réalisé jusqu'à présent.

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