La danse de la protéine dans une goutte en lévitation : comment la longueur du polymère décide du destin du cristal ✎

Une goutte de la taille d'un petit pois flotte dans l'air, retenue par un son inaudible. À l'intérieur, la protéine ferritine, celle-là même qui stocke le fer dans notre corps, entame sa danse. L'eau s'en va, les danseurs se sentent à l'étroit et s'alignent en rangs bien ordonnés : ainsi naît un cristal. Mais dans cette danse, il y a un chef d'orchestre : le polyéthylène glycol, une longue chaîne de motifs répétés. Sa longueur décide de la manière dont les protéines s'assemblent et de la durée pendant laquelle leur alignement tient bon.

L'expérience menée au synchrotron suédois MAX IV ressemblait au tournage d'une danse avec deux caméras. La goutte contenant la ferritine et le polymère a été suspendue dans un lévitateur acoustique fonctionnant à une fréquence de 100 kHz, comme un répulsif à moustiques à ultrasons. Toutes les 0,1 seconde, un faisceau de rayons X traversait la goutte, et sa diffusion permettait de comprendre à quel point les protéines étaient ordonnées les unes par rapport aux autres. Tant qu'il y avait beaucoup d'eau, les protéines se déplaçaient de façon chaotique, comme une foule sur une place. Lorsque la concentration a atteint 400–500 mg/ml, elles se sont soudain figées dans un ordre strict : les signaux caractéristiques du réseau cristallin sont apparus.

Mais ensuite, les scénarios ont divergé. Avec un polymère à longues chaînes (6000 motifs en moyenne), les cristaux apparaissaient rapidement, mais leur ordre s'effondrait à mesure que l'eau continuait de s'évaporer. On aurait pu croire que le polymère lui-même s'était mis à cristalliser et gênait la protéine ; or, la vérification a montré que la destruction des cristaux n'était pas liée au polymère. Les protéines s'attiraient mutuellement avant même de se ranger en rangs, et cette force d'attraction leur a finalement joué un mauvais tour : un empilement trop serré s'est révélé fragile.

Avec les chaînes courtes (1000 motifs), tout était différent. La cristallisation commençait plus tard, alors que la goutte avait presque cessé de rétrécir, mais les cristaux restaient stables jusqu'à la fin de l'expérience. Les protéines se repoussaient et ne se rangeaient en rangs que lorsqu'elles n'avaient littéralement plus où aller, comme des voyageurs dans une rame de métro bondée, contraints de se tenir bien droits parce qu'autrement ils ne rentreraient pas. La distance entre les protéines dans un tel cristal s'est révélée plus grande qu'avec le polymère long.

Cette différence ressemble à deux façons d'organiser une fête. Les longues chaînes du polymère agissent comme un animateur insistant qui attrape les invités par la main et les place vite en cercle, mais dès qu'il les lâche, le cercle se disloque. Les chaînes courtes relèvent plutôt des règles de savoir-vivre : elles ne forcent pas, elles créent les conditions dans lesquelles les invités se rangent d'eux-mêmes en une ligne bien nette, et cette ligne tient même quand l'espace se fait rare. Avant ce travail, on ne comprenait pas pourquoi un même polymère, selon la longueur de ses chaînes, donnait des résultats si différents. Aujourd'hui, c'est clair : les chaînes courtes tapissent probablement la surface de la protéine et retiennent un peu d'eau autour d'elle, empêchant le cristal de sécher et de se fissurer.

En pratique, cela signifie qu'en choisissant un polymère plus court, on peut obtenir des cristaux protéiques qui ne s'effritent pas lors de l'extraction de la solution. De tels cristaux sont nécessaires pour déterminer la structure des protéines par la méthode des rayons X : c'est comme photographier une protéine dans ses moindres détails. Et si aujourd'hui, au laboratoire, un cristal se fissure en séchant, il suffira demain de changer de polymère pour qu'il survive aussi bien au trajet jusqu'au synchrotron qu'à l'expérience elle-même. La danse de la protéine dans la goutte en lévitation se poursuit, mais nous en avons désormais la partition.