Cryomicroscopie électrique : de petits électrons pour visualiser de grosses molécules

La cryo-microscopie électronique (cryo-EM) permet d'observer dans le détail atomique la structure de molécules de dimensions infinitésimales : en quoi consiste-t-elle ?

La microscopie électronique ressemble beaucoup à la microscopie optique, qui fonctionne en irradiant un objet avec de la lumière visible et en refocalisant les rayons déviés par l'objet à travers des lentilles sur la rétine de l'œil ou sur un écran. En utilisant des lentilles appropriées, nous pouvons agrandir l'image pour en apprécier les détails les plus fins. C'est ici qu'intervient le terme de "résolution", c'est-à-dire la capacité de voir deux objets comme distincts à une distance minimale. L'œil humain a une résolution d'environ 0,1 millimètre. Avec les microscopes optiques qui exploitent la lumière visible, il est possible d'atteindre une résolution de 0,2 micromètre, soit 500 fois plus. Une telle résolution permet d'observer des cellules individuelles, mais pas des objets plus petits tels que des virus, des protéines et d'autres molécules biologiques.

Pour voir des objets encore plus petits, il faut utiliser autre chose que la lumière visible : les électrons. Les électrons, particules subatomiques et donc beaucoup plus petites que les molécules que nous voulons visualiser, sont déviés de leur trajectoire par les atomes des molécules, exactement comme la lumière est déviée par les bords d'un objet. Avec des lentilles très spécifiques, constituées non pas de matériaux solides mais de champs électriques, nous pouvons focaliser les électrons et obtenir l'image des molécules.

Décrite comme telle, la technique peut sembler triviale. Mais de nombreux problèmes techniques ont limité leur utilisation pendant des années :

• premièrement, les molécules de l'échantillon bougent, l'image est donc floue comme sur une photographie, ce qui limite fortement sa résolution ;
• deuxièmement, les électrons sont des particules à haute énergie et endommagent les molécules qu'ils "éclairent". Tout cela a été surmonté par l'introduction de la microscopie cryo-électronique, dans laquelle l'échantillon est refroidi jusqu'à -173,15 °C : à cette température, l'eau devient vitreuse, les molécules sont immobilisées et les dommages causés par les électrons sont également réduits (discovery awarded with a Nobel Prize).

Une représentation schématique de l'expérience de cryo-EM est présentée ci-dessous.

Une dernière difficulté subsiste : nous sommes capables d'apprécier l'image tridimensionnelle d'un objet également parce que nous pouvons le regarder sous plusieurs angles. En cryo-EM, l'objet (la molécule) est photographié orienté de nombreuses façons différentes. Par conséquent, les images 2D de molécules orientées de façon aléatoire dans l'espace sont utilisées pour reconstruire, grâce à des algorithmes informatiques sophistiqués, la forme 3D de la molécule. C'est maintenant aux biochimistes d'interpréter la densité électronique et de construire le modèle de la protéine.

La cryo-EM est une technique de pointe extrêmement puissante qui, ces dernières années, a permis de déterminer la structure de molécules qui ont longtemps représenté le Saint Graal pour de nombreux chercheurs. La structure de la protéine Spike du SARS-CoV-2 a été déterminée quelques mois après le séquençage du génome viral, et a permis une compréhension fine de ses interactions avec le récepteur cellulaire ACE2. Comme toute technique, elle a cependant des limites : les molécules étudiées, par exemple, doivent être assez grosses. Une autre limite, non négligeable, est le coût du microscope lui-même et de sa maintenance.