ensuelJournal interne du CEA Grenoblemn° 185 - Janvier 2019

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Sciences et recherche

�ACTUALITÉ

Une nouvelle pistede traitement contre

la rougeoleP. 2

�ZOOM

ARC-Nucléart au chevet du patrimoine

françaisP. 11

�TALENTS

Sylfen va valoriser latechnologie d’électrolyse

haute température P. 12

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STRATÉGIE

Les chercheurs font leur cinémamoléculaire

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Les chercheurs font leur cinémamoléculaire

Cinéma ultra-rapided’une protéine en action.

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Les chercheursfont leur cinémamoléculaire

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VOIR LES PROTÉINES ABSORBER LA LUMIÈRE

Des chercheurs de l'Institut de biologie structurale (IBS) ont pu filmer les processus ultra-rapides à l'œuvredans les protéines fluorescentes, largement utilisées comme marqueurs en imagerie du vivant.Leur nouveau procédé, qui utilise un laser à électrons libres aux rayons X, permet d'étudier à l’échelleatomique les processus tels que la vision, la bioluminescence et d'autres jusqu'ici inobservables.Les biologistes ont pu déterminer la structure d’une protéine fluorescente dans son état excité, et observerle chromophore, la partie de la protéine qui absorbe la lumière, dans une conformation transitoire.

Cinéma ultra-rapided’une protéine enaction. La protéinefluorescente (verte) estexcitée par un laser delumière visible (rayonviolet) et impactée parune impulsion derayons X (rayon blanc)produite par un laser Xà électrons libres. Unepicoseconde aprèsexcitation, lechromophore (bleu) aucœur de la protéine estobservé à mi-cheminentre les deux formesstables (‘off’ en gris,‘on’ en vert) ; sa vitessede déplacement (4,6Angströms en1 picoseconde)correspond à celle d’unavion supersonique(460 m/s) !

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Conception, texte: Marc Jary Photos: Martin Weik (IBS), Olivier Napoly (CEA IRFU), XFEL Hambourg, XFEL Stanford USA, SACLA (Japon)

C ’est un véritable petitcinéma à l’échelle molécu-laire ! C’est ce que viennentde créer des chercheurs del’Institut de biologie struc-

turale (IBS), dans le cadre d’une colla-boration internationale comprenantdes laboratoires du CEA et du CNRS, lesuniversités de Lille, de Rennes et deParis-Saclay, des Instituts Max-Planckde Heidelberg et de Göttingen et l’accé-lérateur linéaire de Stanford, auxÉtats-Unis. Grâce à cet accélérateurd’électrons, ils ont pu mettre en évi-dence les mouvements infimes et ultra-rapides au cœur d’une protéinefluorescente. “Nos travaux ont étépubliés dans Nature Chemistry en jan-vier 2018 (1), et nous sommes associésaux premiers travaux qui ont eu lieu auXFEL à Hambourg et qui viennent d’êtrepubliés dans Nature Communi-cations (2)”, souligne Martin Weik,directeur de recherche au CEA et res-ponsable du groupe de recherche dyna-mique et cinétique des processusmoléculaires (DYNAMOP) à l‘IBS.Seuls deux lasers X à électrons libres

sont actuellement pleinement opéra-tionnels dans le monde : celui àStanford qui a été utilisé pour cetteétude et l’autre au Japon, près d’Osaka.Le premier laser à électrons libres euro-péen (XFEL), auquel la France a contri-bué, a été mis en service fin 2017 àHambourg et permettra de passer de100 images par seconde à près de 27 000(lire l’encadré ci-dessous : XFEL, unlaser européen au cœur de la matière).“Grâce à cette installation, nous avonspu résoudre les structures de deux pro-téines à partir d’un mélange naturel decristaux produit lors de l’extraction desprotéines de fève. C’est un véritabletour de force, qui renoue avec les fon-dements de la cristallographie des pro-téines. C’est en effet cette préparationde cristaux qui a permis à JamesB. Sumner, (chimiste américain – 1887-1955, ndlr), de démontrer la faisabilitéde l’isolation et de la cristallisation desprotéines, pour laquelle il a obtenu leprix Nobel de Chimie en 1946”, confieJacques-Philippe Colletier, directeur derecherche au CNRS et membre dugroupe DYNAMOP à l’IBS.

Les chromophores sont de petitesmolécules absorbant la lumière au seindes protéines. Elles sont à la base denombreux processus biologiques telsque la vision, la photosynthèse ouencore la fluorescence.

Protéine lumineuse On retrouve ces chromophores au cœurde protéines fluorescentes, couram-ment utilisées dans la recherche en bio-logie, comme marqueurs fluorescentspour les expériences d’imagerie.“Certains dérivés de ces protéines fluo-rescentes sont dits “photo-commuta-bles”, c’est-à-dire qu’on peut, grâce àune stimulation lumineuse, passer laconformation de leur chromophore d’unétat fluorescent “on”, où la protéine vaémettre de la lumière, à un état éteint“off”, où la protéine n’en émettra plus”,souligne Dominique Bourgeois, direc-teur de recherche au CNRS et membre dugroupe DYNAMOP à l’IBS. “La transitionentre ces deux stades ‘on’ et ‘off’ esttrès rapide et implique des mouvementsstructuraux très fins. Les techniques decristallographie classique développéesjusqu’alors ne permettaient que devisualiser les structures stables de cespositions. Les structures transitoiressont pourtant essentielles pour com-prendre le fonctionnement mécaniqueet photochimique de ces chromophoreset des protéines qui les contiennent”,détaille Martin Weik.

La puissance de la diffractionPour découvrir ces structures transi-toires, les scientifiques ont fait appel àune méthode jusqu’alors inédite, enutilisant la nouvelle technologie d’unlaser à électrons libres aux rayons X,appelée XFEL (X-ray free electronlaser).

Vue aériennedu laser à électronslibres de Stanford(USA) mis en serviceen 2009.

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Le laser à électronslibres (SACLA)du Japon mis

en service en 2011.t

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Ces rayons X sont projetés sur un flux deprotéines fluorescentes cristallisées.De par la puissance du rayonnement,les cristaux traversés sont instantané-ment désintégrés. Les expérimenta-teurs doivent donc alimenter enpermanence le flux, d’où le nom decette technique : la cristallographiesérielle. Les rayons X qui ont traversél’échantillon cristallin produisent desimages de diffraction juste avant ladésintégration, que l’on peut utiliserpour générer des photos des protéines.Les résultats obtenus sont d’une telleprécision qu’ils permettent de mesurerles plus petits détails des protéinesavec une résolution temporelle inédite,de l’ordre de la picoseconde.Les scientifiques ont pu obtenir desimages de chromophores dans uneconformation transitoire entre leursétats “on” et “off”, décrite comme un

Au cœur du Laser Européen à Electrons Libres et à Rayons X (X-Ray Free Electron Laser). Cet équipement de pointe, soutenu par onze pays,plus particulièrement l’Allemagne et la Russie, mais aussi la France et la Suisse, s’étend sur 3,4 kilomètres dans les environs d’Hambourg.

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L’équipe de l'IBS dans la chambre expérimentale du XFEL à Stanford lors de l’expérience, de gauche à droite sur la photo : Jacques Philippe Colletier, Martin Weik, Nicolas Coquelle, Giorgio Schiro, Joyce Woodhouse.

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état tordu (twisted). La structure decet état tordu avait été prédite par dessimulations, mais jamais observéeexpérimentalement. Les premiers cli-chés d’un film complet du changementd’état sont maintenant disponibles.

Une protéine fluorescente mutanteCes résultats ont mis en évidence l’im-portance de certains acides aminésproches du chromophore. Grâce à desexpériences de génie génétique, leschercheurs ont pu créer une protéinefluorescente mutante dont un de cesacides aminés a été remplacé par unautre, plus petit et moins contraignantpour la structure et la fonction de laprotéine. Ils ont ensuite constaté qu’ilfallait un flash lumineux beaucoup plusfaible que dans la protéine d’originepour passer le chromophore de l’état“off à l’état “on”. Cette dernière expé-rience valide leur précédente décou-verte et donne une illustration claire del’utilisation que peuvent avoir cesdécouvertes dans le domaine des bio-technologies. De quoi promettre un avenir radieux aucinéma moléculaire ! �

1) Les auteurs: Coquelle N, Sliwa M, Woodhouse J, Schirò G,Adam V, Aquila A, Barends TRM, Boutet S, Byrdin M, Carbajo S, Dela Mora E, Doak RB, Feliks M, Fieschi F, Foucar L, Guillon V, HilpertM, Hunter MS, Jakobs S, Koglin JE, Kovacsova G, Lane TJ, Lévy B,Liang M, Nass K, Ridard J, Robinson JS, Roome CM, Ruckebusch C,Seaberg M, Thepaut M, Cammarata M, Demachy I, Field M,Shoeman RL, Bourgeois D, Colletier J-P, Schlichting I, Weik M(2018) Chromophore twisting in the excited state of a

photoswitchable fluorescent protein captured by time-resolvedserial femtosecond crystallography. Nature Chemistry 10: 31-37

2) Les auteurs: Grünbein ML, Bielecki J, Gorel A, Stricker M, BeanR, Cammarata M, Dörner K, Fröhlich L, Hartmann E, Hauf S,Hilpert M, Kim Y, Kloos M, Letrun R, Messerschmidt M, Mills G,Nass Kovacs G, Ramilli M, Roome CM, Sato T, Scholz M, Sliwa M,Sztuk-Dambietz J, Weik M, Weinhausen B, Al-Qudami N,

Boukhelef D, Brockhauser S, Ehsan W, Emons M, Esenov S,Fangohr H, Kaukher A, Kluyver T, Lederer M, Maia L, Manetti M,Michelat T, Münnich A, Pallas F, Palmer G, Previtali G, Raab N,Silenzi A, Szuba J, Venkatesan S, Wrona K, Zhu J, Doak RB,Shoeman RL, Foucar L, Colletier J-P, Mancuso AP, Barends TRM,Stan CA, Schlichting I (2018) Megahertz data collection fromprotein microcrystals at an X-ray free-electron laser. Naturecommunications 9: 3487.

Vue de l'intérieur du tunnel du XFELEuropéen à Hambourg. Celui-ci comprend

plusieurs tunnels souterrains dont l’un, quis’enfonce jusqu’à 38 mètres sous terre,

abrite un long accélérateur linéaireà électrons.

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Un détail du laser européenà électrons libres et à rayons X (X-Ray Free Electron Laser, XFEL)à Hambourg.

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Le groupede recherchedynamiqueet cinétiquedes processusmoléculaires(Dynamop) de l‘IBSqui a préparéles échantillonsétudiés au XFEL.De gauche à droitesur la photo : Virgile Adam, Joyce Woodhouseet Virginia Guillon.

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stratégieXFEL, un laser européen au cœur Inauguré enseptembre 2017, le plusgrand laser dans ledomaine des rayons Xau monde, l’European XFEL,permet aux chercheurs desonder plus profondémentles secrets de la matièreà l’échelle atomique.

C ’est la plus grande et la pluspuissante source de rayons Xfabriquée par l’homme, aumonde”, déclare OlivierNapoly, physicien au dépar-

tement Accélérateurs, Cryogénie etMagnétisme (DACM) à l’Institut deRecherche sur les lois Fondamentalesde l'Univers (IRFU) de la Direction de la

recherche fondamentale du CEA, dontle Département a participé à laconstruction de l’équipement. Ce laserX peut produire jusqu’à 27 000 flashs derayons X par seconde. Un énorme bondcomparé aux 120 flashs par secondeémis par le laser américain du mêmetype, le LCLS de Stanford et aux 60flashs générés par un autre au Japon(SACLA). Le laser européen à électrons libres et àrayons X aura “la plus grande brillancemoyenne au monde”, déclare RobertFeidenhans’l, président du conseild’administration de l’European XFEL.La brillance mesure le nombre de pho-tons (particules de lumière) générés àune certaine longueur d’onde. “À sonpic, celle du laser European XFEL seraun milliard de fois plus grande que celledes synchrotrons, les meilleures

sources de rayons X conventionnelles”,assurent ses concepteurs.Cet équipement est “comme unecaméra et un microscope et il va per-mettre de voir les plus petits détails etprocessus jamais encore observés dansle nanomonde”, ajoute RobertFeidenhans’l. “Les applications serontnombreuses. Elles vont de la médecineà la biologie, la chimie et la science desmatériaux.”Grâce à sa brillance impressionnante,les scientifiques vont pouvoir observerdans les détails des virus à l’échelleatomique, déchiffrer la compositionmoléculaire des cellules, prendre desimages en trois dimensions du nano-monde, et étudier des procédés simi-laires à ceux qui se produisent àl’intérieur des planètes. La durée desflashs de rayons X étant extrêmement

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Hambourg brillepour XFEL

européen. Montagephoto : cinq lasersplacés sur le toitdu bâtiment

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(surlignent) lescinq tunnels

souterrains du FELeuropéen.

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de la matièrecourte, les chercheurs vont pouvoirégalement réaliser “des films” de pro-cessus ultra-rapides, comme les réac-tions chimiques ou les changementsdans les biomolécules (lire plus haut :Les chercheurs font leur cinéma molé-culaire).

103 cryomodules accélérateursupraconducteursC’est le centre de recherche allemandDESY (Deutsches-Elektronen-Syn-chrotron) à Hambourg qui est à l’originede ce projet, ayant lui-même démontrécette nouvelle génération de laser àélectrons libres avec un accélérateur demoindre taille et énergie.L’European XFEL a ensuite fait l’objetd’un accord intergouvernemental dès2007 en raison de son ambition et deson coût. Dix pays européens et laRussie ont ainsi contribué. Le RoyaumeUni s’est engagé à les rejoindre pro-chainement.“Le département Accélérateurs,Cryogénie et Magnétisme (DACM) del’Institut de Recherche sur leslois Fondamentales de l'Univers (IRFU)de la Direction de la RechercheFondamentale du CEA (DRF) a concré-

tisé l’engagement de la France par unecontribution portant sur l’intégrationdes 103 cryomodules accélérateursupraconducteurs (12 mètres de lon-gueur, 7 tonnes de masse, près de10 000 composants) opérée sur le sitedu CEA-Saclay par une société fran-

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sMicrocristaux de protéine utilisés

en cristallographie sérielle au XFEL.La protéine a été produite avec l'aidede Franck Fieschi et de Michel Thépaut

sur la plateforme MP3 de l'IBS.

Les chercheurs, de gauche à droite sur la photo, Marco Cammarata (université de Rennes), Sébastien Boutet(XFEL Stanford), Michel Sliwa (Université de Lille) sont en train de mettre au point le laser optique du XFEL.

L’équipe expérimentalefranco-allemande quitravaille au XFEL.

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çaise, au rythme d’un cryomodule livrépar semaine, ainsi que par la fournituredes blindages magnétiques et d’instru-ments de mesure de positions des fais-ceaux d’électrons”, détaille OlivierNapoly.La construction de ce centre derecherche a coûté près d’1,5 milliardd’euros. MJ �

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Un laser à électrons libres (en anglais: freeelectron laser: FEL) est un type de laser quifonctionne en utilisant des électrons qui nesont pas liés à un atome, d’où l'adjectif“libres”, pour créer des photons.

La lumière produite est à la foiscohérente, intense et peut avoirune longueur d'onde située dansune large gamme, depuis lesmicro-ondes jusqu'aux rayons X

durs, en passant par l'ultraviolet, ledomaine visible et l'infrarouge. Apparus en1977, les lasers à électrons libres s'appuientsur un faisceau d'électrons à haute énergie.Celui de Hambourg agit dans le domaine desrayons X. L’European XFEL est un laser àélectrons libres de quatrième génération,qui implique un accélérateur linéaire (et nonen anneau comme les synchrotrons, lasersde troisième génération).Après avoir été générés par un canon àélectrons, ces derniers sont accélérés dansdes cavités spéciales supraconductrices,refroidies à l'hélium (à -271 degrésCelsius), au nombre de 800. “Les électrons

montent progressivement à de très hautsniveaux d'énergie”, explique Olivier Napolyphysicien au CEA/IRFU.

Slalom très sérré“Les électrons effectuent ensuite unecourse à travers des onduleurs dont lesaimants les contraignent à effectuer unesorte de slalom très serré.” Ils émettentalors des photons et le phénomène va“s’auto amplifier” par interaction entre les

électrons et les photons. À la fin duparcours, les chercheurs disposent deflashs de rayons X très courts et trèsintenses. Les scientifiquess’enthousiasment d’être les premiers àexpérimenter l'équipement qui va monterprogressivement en puissance. “Il y a uneforte compétition entre les chercheurs pourobtenir du temps de faisceau”, reconnaîtRobert Feidenhans'l, président du conseild’administration de l’European XFEL. MJ �

Un laser XXL pour espionner atomes et virus

L’équipe projet CEA-Alsyomen chargede l’intégrationdes cryomodules(2014).

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