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Elaboration d’une protéine rouge à la fluorescence inégalée

Des chercheurs de l’Université d’Amsterdam, de l’ESRF, le synchrotron
européen de Grenoble et de l’Institut de Biologie Structurale
(CEA/CNRS/Université Grenoble Alpes), ont réussi à créer la plus
brillante des protéines rouges fluorescentes, baptisée “mScarlet”.

mScarlet (2)
mScarlet est capable d’éclairer les cellules vivantes de l’intérieur et
ainsi d’étudier les interactions entre protéines avec un niveau de
sensibilité inégalée. La découverte de mScarlet représente un enjeu
majeur pour l’imagerie cellulaire et devrait ouvrir de nouvelles
perspectives pour les chercheurs travaillant sur les cancers et les
cellules souches. Les résultats de cette découverte ont été publiés
cette semaine dans Nature Methods.

Les protéines fluorescentes (FP) sont très utilisées en imagerie
cellulaire comme des marqueurs biologiques. On peut les comparer à des
balises lumineuses que les scientifiques attachent à une protéine. Elles
permettent de rendre visible et de suivre les mouvements et interactions
des protéines à l’intérieur d’une cellule vivante, sous microscope.
Depuis le début des années 1990, les protéines fluorescentes sont
devenues des outils indispensables en biosciences, permettant d’observer
des processus auparavant invisibles, comme le développement des cellules
nerveuses dans le cerveau ou la propagation des cellules cancéreuses
dans le corps.

De nombreuses équipes de recherche dans le monde tentent de créer et
d’optimiser des centaines de protéines fluorescentes de différentes
couleurs. En effet, plus on utilise de couleur, plus on peut suivre de
processus en simultané. Certains de ces biomarqueurs, comme la première
protéine fluorescente verte (la GFP) ont été trouvés dans la nature
(chez une méduse dans le cas de la GFP); mais de nombreux autres, comme
les protéines fluorescentes bleue, cyan et jaune, ont été créées
in-vitro. En 1999, une protéine fluorescente rouge a été découverte dans
les coraux. Cependant, les scientifiques n’avaient pas réussi, jusqu’à
maintenant, à optimiser la façon dont cette protéine produisait une
lumière brillante rouge au sein d’une cellule.

La découverte de mScarlet a été une longue aventure pour les biologistes
de l’Université d’Amsterdam, les chercheurs de l’ESRF et de l’Institut
de Biologie Structurale à Grenoble. Après 4 années de recherche, et de
nombreux ajustements, ils ont créé une nouvelle protéine, baptisée
mScarlet, avec un record de brillance et une durée de fluorescence
inégalée de 3,9 nanosecondes.

Le groupe de chercheurs dirigés par Dorus Gadella, Professeur de
cytologie moléculaire à l’Université d’Amsterdam, a créé mScarlet en
comparant les propriétés génétiques d’une gamme de protéines
fluorescentes rouges provenant des coraux. Ils ont identifié des
séquences qui apparaissaient de façon systématique dans les codes
génétiques, et semblaient donc indispensables.

Les scientifiques ont relié ces séquences de codes génétiques à d’autres
et ainsi synthétisé un brin d’ADN complet. Ils ont ensuite introduit cet
ADN dans une bactérie, qui le convertit en protéine. Ils ont étudié la
luminosité de chaque protéine modifiée, mesurant leur durée de vie de
fluorescence au sein d’une cellule vivante sous microscope, afin
d’identifier les protéines dont les propriétés avaient été améliorées.

Après avoir créé mScarlet, l’équipe de biologistes d’Amsterdam a envoyé
ces protéines fluorescentes à l’Institut de biologie Structurale de
Grenoble. L’équipe de biologie structurale dirigée par Antoine Royant,
collaborateur scientifique à l’ESRF et incluant deux autres
scientifiques de l’ESRF, a d’abord produit des cristaux de ces protéines
par la technique du microensemencement afin qu’ils diffractent au mieux,
puis les ont soumis aux rayons X du synchrotron ESRF, sur la ligne de
lumière ID29, pour comprendre la structure moléculaire de la protéine.
Antoine Royant a ainsi pu identifier la clé de brillance de mScarlet.
“Nous avons découvert que l’intensité de la fluorescence de mScarlet
était due au fait que le chromophore, le «cœur» de la protéine à
l’origine de l’émission de lumière rouge, est stabilisé dans une
disposition plane, rigide, et ce, de par l’arrangement structural de la
protéine autour de lui. »

Grâce à la brillance de cette nouvelle protéine, les chercheurs espèrent
que de nombreuses recherches pourront être réalisées en imagerie
cellulaire, notamment dans le domaine de la recherche sur les cellules
souches ou les cancers, avec des niveaux de précision et de détail sans
précédent. mScarlet peut ainsi permettre d’aider les scientifiques à
mieux comprendre la perturbation de processus biologiques telle qu’une
division cellulaire imprévue dans le cas de cellules cancéreuses. Comme
l’explique Dorus Gadella, professeur de l’Université d’Amsterdam et
auteur correspondant de cette étude : «Tout comme certains étudient les
étoiles et préparent de futurs voyages sur Mars, nous explorons
l’univers des protéines qui régulent les processus cellulaires dans
notre corps« .”

Publication
Daphne S Bindels, Lindsay Haarbosch, Laura van Weeren, Marten Postma,
Katrin E Wiese, Marieke Mastop, Sylvain Aumonier, Guillaume Gotthard,
Antoine Royant, Mark A Hink & Theodorus W J Gadella Jr: ‘mScarlet: a
Bright Monomeric Red Fluorescent Protein for Cellular Imaging’, in
Nature Methods. doi:10.1038/nmeth.4074.

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