Comment les protéines « respirent » et pourquoi elles se figent

Bien que la cristallographie des protéines constitue le pilier central de la biologie structurale depuis plus d’un demi-siècle, elle ne fournit souvent que des structures moléculaires statiques comme des photogrammes figés extraits d’une vidéo, bien loin de l’agitation qui règne à l’intérieur des cellules.

« Dans quelle mesure ces "instantanés figés" des structures protéiques peuvent-ils vraiment nous renseigner sur leurs fonctions biologiques réelles et leur environnement moléculaire dynamique ? », s’interroge Lea Becker, première auteure de l’étude et doctorante dans l’équipe du professeur Paul Schanda à l’ISTA. Pour répondre à cette question fondamentale, Becker et Schanda ont collaboré avec des chercheurs internationaux, dont Christophe Chipot (Laboratoire International Associé du CNRS en France et Université de l’Illinois à Urbana-Champaign, États-Unis) et Sylvain Engilberge (European Synchrotron Radiation Facility, Grenoble, France). En combinant des données issues de la cristallographie aux rayons X, de la spectroscopie par résonance magnétique nucléaire (RMN) et de la modélisation moléculaire, ils ont surmonté les limites techniques pour obtenir une vision plus complète du comportement naturel des protéines.

Des structures éphémères aux fonctions bien réelles

Les protéines présentent des formes et des tailles variées, et leurs sites de liaison sont souvent enfouis dans leur cœur. Pour permettre à d’autres molécules de s’y lier, elles doivent donc modifier considérablement leur structure.

« Les scientifiques utilisent l’expression « mouvement de respiration » pour décrire cette idée d’une protéine qui s’“ouvre” temporairement », explique Schanda. « Derrière ce terme simplifié se cache une chorégraphie moléculaire complexe, en perpétuel mouvement au sein de chaque protéine. Mais nous manquons souvent d’une compréhension détaillée de ce phénomène. »

Plusieurs techniques de biologie structurale ne permettent pas de révéler toutes les conformations structurelles qui pourraient être essentielles à la fonction biologique. En particulier, la cristallisation peut verrouiller les molécules dans un ensemble limité de structures rigides au sein du réseau cristallin, alors que la même protéine peut « respirer » bien plus librement en solution.

« Avec notre étude, nous cherchons à dévoiler la véritable dynamique des protéines en fonction du temps », précise Schanda.

Surmonter les limites techniques

Pour explorer ce monde microscopique hautement dynamique, l’équipe a étudié les synergies entre différentes méthodes expérimentales développées ces dernières années.

« Nous considérons souvent les expériences comme des fenêtres objectives sur la nature. Pourtant, chaque méthode expérimentale a ses limites et n’éclaire généralement qu’une partie de la vérité », souligne Becker, dont les recherches portent sur le développement de méthodes. « En développant des méthodes et en combinant des techniques, nous cherchons à surmonter ces limites et à élargir nos connaissances. »

Comme système modèle, Becker et son équipe ont utilisé la protéine GB1 pour étudier sa flexibilité conformationnelle avec son partenaire de liaison, l’anticorps IgG. Ils l’ont fait à la fois en phase solide (à l’aide de la cristallographie aux rayons X et de la RMN à l’état solide) et en solution (en combinant des méthodes de marquage avancées avec des techniques quantitatives de RMN). Ils ont également obtenu des « films moléculaires » de GB1 grâce à des simulations de dynamique moléculaire à échantillonnage amélioré.

Le basculement des noyaux aromatiques

Pour comprendre en détail comment GB1 et IgG se lient et « respirent », l’équipe a examiné la rotation de groupes chimiques spécifiques présents dans certains de leurs composants de base : les acides aminés.

Les acides aminés sont liés par des composants communs de leur squelette pour former une chaîne protéique. Cependant, ce sont les chaînes latérales (ou « side chains »), aux compositions chimiques distinctes, qui déterminent finalement comment la protéine se replie sur elle-même. Ces chaînes latérales régissent également les formes que chaque partie de la molécule peut adopter après le repliement.

Certaines chaînes latérales d’acides aminés contiennent des noyaux aromatiques — des groupes chimiques peu affins pour l’eau. Elles ont donc tendance à s’enfoncer à l’intérieur du cœur de la protéine ou dans les sites actifs, loin des molécules d’eau environnantes. Le fait que ces noyaux aromatiques puissent basculer en fait d’excellents indicateurs des mouvements protéiques dans les conditions utilisées en biologie structurale.

« Pour qu’un noyau aromatique bascule, l’ensemble de la protéine doit bouger de manière significative. C’est ce qui en fait des marqueurs fiables de la dynamique protéique », explique Becker. « En observant la vitesse à laquelle ces noyaux basculent à l’intérieur du cœur de la protéine et dans le site actif d’une enzyme pendant la liaison, nous pouvons évaluer à quel point elle peut « respirer » librement. Nous savions déjà que la cristallisation peut limiter les mouvements libres des protéines. Notre approche interdisciplinaire nous aide désormais à comprendre certains de ces détails moléculaires. »

Vers des structures dynamiques à la demande ?

Comprendre comment les substrats atteignent les sites de liaison des protéines peut révéler comment ces dernières ont évolué pour remplir des fonctions spécifiques. En effet, seul un ensemble limité de dynamiques conformationnelles permet à certaines fonctions moléculaires d’émerger.

Par ailleurs, le domaine émergent de la conception de protéines de novo — c’est-à-dire la création computationnelle de protéines dotées de nouvelles structures et fonctions — a connu un succès limité dans la génération de protéines dynamiques, soulignant le besoin de données expérimentales supplémentaires sur la dynamique protéique dans la nature.

« Les protéines conçues par ordinateur ont été optimisées pour reproduire des structures statiques. Mais ces structures figées ne donnent probablement pas accès à l’ensemble des conformations fonctionnelles présentes dans la nature », souligne Schanda. « En révélant expérimentalement la dynamique des protéines, nous pourrions, à l’avenir, modéliser et concevoir des protéines plus pertinentes sur le plan fonctionnel. »

Ces connaissances expérimentales contribueront également à améliorer les outils de prédiction structurale basés sur l’intelligence artificielle, comme AlphaFold, qui ont révolutionné la recherche en découverte de médicaments et en compréhension des maladies.

« Comprendre la dynamique des protéines et ses liens avec leurs fonctions biologiques est ce qui rend la biologie structurale vraiment passionnante », conclut Schanda.

Publication :

Lea M. Becker, Haohao Fu, Ben P. Tatman, Matthias Dreydoppel, Anna Kapitonova, Ulrich Weininger, Sylvain Engilberge, Christophe Chipot, and Paul Schanda. 2026. Aromatic Ring Flips Reveal Reshaping of Protein Dynamics in Crystals and Complexes. Nature Chemistry. DOI: 10.1038/s41557-026-02155-0

Financement

Ce projet a été soutenu par :

• Une bourse DOC de l’Académie autrichienne des sciences à l’ISTA (subvention n° PR10660EAW01),
• Une subvention du Conseil européen de la recherche (ERC) (projet n° 101097272),
• Une subvention de la Métropole du Grand Nancy (projet « ARC »).
  Cette recherche a également bénéficié du soutien des Unités de service scientifique (SSU) de l’ISTA, grâce aux ressources fournies par les installations de résonance magnétique nucléaire et de soutien en laboratoire.