prédiction du repliement des protéines

Une fine coupe d'eucalyptus repose sous l'objectif du microscope, et la lumière blanche, après avoir traversé deux filtres polarisants, transforme le bois en une mosaïque de taches pourpres, jaunes et bleues.

Une protéine dans une cellule ne reste pas immobile comme un mannequin en vitrine. Ses atomes tremblent, s'étirent et se plient constamment, un peu comme une corde de guitare tendue qui continue de vibrer après qu'on l'a pincée. Pour comprendre comment une protéine fonctionne, il faut savoir à quel point chaque partie est fermement liée à ses voisines.

Sous un microscope électronique, une protéine apparaît comme une série d'ombres floues — des centaines de milliers de clichés de la même molécule, mais sous des angles différents et avec un fort bruit.

La chaîne protéique se replie en un outil fonctionnel en une fraction de seconde — et ne se trompe presque jamais. On a longtemps pensé que l'évolution polissait spécialement les séquences d'acides aminés pour que la protéine non seulement fonctionne, mais trouve aussi facilement sa forme unique. Ces nouveaux travaux renversent cette conception.

Une protéine dans la cellule n'est pas une sculpture figée, mais un mécanisme agité. Ses pièces vibrent sans cesse, et ce sont ces mouvements qui déterminent comment elle capture des molécules, transmet des signaux ou construit le squelette cellulaire. Mais filmer la vie d'une seule protéine se heurtait à deux interférences.

Une immense bibliothèque où chaque livre est une instruction précise pour assembler une molécule de protéine. Le réseau de neurones AlphaFold2 a lu des millions de ces livres et a appris à fournir instantanément un modèle tridimensionnel prêt à l'emploi.

Un jardinier veut faire pousser une fleur rare. Il ne faut pas arroser et fertiliser n'importe comment, mais selon un planning strict : un peu plus de chaleur le matin, un peu moins d'humidité le soir. Sinon, les mauvaises herbes envahissent le parterre. C'est à peu près ce qui se passe avec les molécules à la surface d'un métal.

La cellule ressemble à une bibliothèque où l'on recopie chaque jour des milliers de livres. Les machines moléculaires – polymérases et ribosomes – glissent le long du brin modèle et assemblent une copie, maillon par maillon. Ces machines ont plusieurs états : elles peuvent ralentir, se tromper ou changer de mode.

Un réseau de neurones, telle une feuille de papier quadrillé, reçoit des signaux homogènes en entrée – et trace lui-même sa grille de coordonnées. D'abord, les connexions entre les entrées et les cellules du réseau deviennent semblables à une colline douce : la réponse est plus forte au centre et s'atténue vers les bords.

Pendant longtemps, nous n'avons vu les protéines que dans leur position finale, comme des photos de danseurs figés dans une pose élégante. Des programmes comme AlphaFold ont appris à prédire cette pose à partir d'une chaîne de maillons de carbone.

Imaginez un immense garage avec des centaines de places de stationnement. Vous arrivez au volant d'une petite voiture — la molécule du futur médicament — et vous cherchez l'unique box libre où elle se glissera parfaitement. Sauf que ces boxes ne sont pas en béton, mais tissés de brins d'ADN ou d'ARN, et personne n'a affiché les règles de stationnement.

Une protéine dans la cellule ressemble à une minuscule machine : chacune a son plan précis et sa tâche. Certaines coupent des molécules, d'autres transportent l'oxygène, d'autres encore captent la lumière.

Un long fil de perles se glisse dans un minuscule écrin : certaines perles se serrent les unes contre les autres, d'autres s'écartent. C'est le problème que résout une protéine lorsqu'elle se replie en une molécule fonctionnelle. Seulement, les perles — les acides aminés — peuvent être des centaines, et chaque contact modifie toute la structure.

L'ampoule ne s'allume que dans la pièce voulue. C'est à peu près le principe des médicaments photoactivables : ils ne s'« allument » que là où la lumière est dirigée, et laissent le reste du corps tranquille.

Le proton semble être une petite boule compacte, mais à l'intérieur, ça bouillonne : les quarks échangent des gluons, les particules qui les collent. Les gluons apparaissent et disparaissent, et leur distribution dans le proton n'est pas qu'un détail curieux : c'est la clé des prédictions au Grand collisionneur de hadrons.

La maladie d'Alzheimer commence insidieusement : au plus profond du cerveau, deux protéines s'accumulent : la protéine tau et l'amyloïde-bêta. Elles se comportent comme des graines de mauvaise herbe : un amas qui apparaît pousse les cellules voisines à produire des amas similaires.

Au cœur de chaque disque dur ou clé USB se cache un matériau qui sait « mémoriser » un champ électrique. On appelle ce matériau un ferroélectrique. Si on lui applique une tension, de minuscules régions — les domaines — se retournent à l'intérieur du cristal, comme les aiguilles d'une boussole.

Le tentacule d'une pieuvre se courbe, attrape et s'étire — et tout cela sans un seul os. Le secret réside dans l'alternance de zones qui se contractent et de zones qui restent passives. Les scientifiques tentent depuis longtemps de reproduire cet exploit avec des matériaux artificiels, mais jusqu'à présent, ils ne pouvaient pas contrôler précisément la manière dont le matériau changerait de forme.

La vessie ressemble à un ballon de baudruche : pendant qu'elle se remplit, la paroi s'étire et la forme change. Les médecins surveillent généralement la pression interne et la quantité de liquide introduite, mais ils prêtent rarement attention à la géométrie elle-même, c'est-à-dire à la manière dont la surface se courbe.

Le cerveau de chaque personne est couvert de circonvolutions, comme une empreinte digitale — avec un motif unique. Lors de la démence, ce motif change, mais pour deux maladies similaires, Alzheimer et la démence à corps de Lewy, les modifications sont presque impossibles à distinguer à l'œil nu. Les médecins ont besoin d'un moyen fiable de les séparer, car les traitements diffèrent.

La recherche d'un nouveau médicament ressemble à la recherche de la bonne clé pour une serrure. La protéine dans la cellule est la serrure, et la molécule candidate est la clé. Il faut comprendre si la clé convient et à quel point elle s'y adaptera solidement. Avant, l'ordinateur passait en revue chaque atome de la serrure et de la clé pour le vérifier.

Dans un mince film d'aluminium, des millions de minuscules grains de métal sont pressés les uns contre les autres, comme les grains d'un granite. Là où trois de ces grains se rejoignent, apparaît un joint triple — une ligne le long de laquelle trois joints de grains se rencontrent.