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Source: CNRS

Produire un faisceau laser (L'effet laser est un principe d'amplification cohérente de la lumière par émission stimulée. Laser est l'acronyme anglais de « Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation » (en français, « amplification de la lumière par émission stimulée de rayonnement »). La plupart des amplificateurs optiques sont basés sur l'effet laser. Une source laser est une source de...) de rayons X ultra puissant pour visualiser une seule particule virale en un seul flash de quelques femtosecondes (10-15 seconde): c'est la prouesse que vient de réaliser un consortium interdisciplinaire (Un travail interdisciplinaire intègre des concepts provenant de différentes disciplines.) international de plus de 20 laboratoires (consortium dirigé par Janos Hajdu de l'Université d'Uppsala en Suède), dont le laboratoire CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).) Information génomique et structurale. Ces chercheurs ont en effet reconverti l'accélérateur de particules de Stanford (SLAC) en un gigantesque appareil de radiologie pour particules "uniques": cellules entières, virus, ou même macromolécules. Ces travaux publiés le 3 février 2011 dans la revue Nature annoncent une nouvelle ère pour la biologie structurale, en ouvrant l'utilisation des rayons X à l'étude de la structure tridimensionnelle d'objets biologiques asymétriques, non cristallisables, et même en mouvement. Les chercheurs travaillent désormais à améliorer la résolution des images pour parvenir à la visualisation détaillée de l'extérieur comme de l'intérieur de ces particules biologiques.

Les physiciens impliqués dans ces travaux étudient depuis le milieu des années 1990 la possibilité d'utiliser les accélérateurs de particules pour des études biologiques. Ils sont parvenus à adapter l'Accélérateur linéaire de Stanford (SLAC) en lui ajoutant toute une structure, composée d'aimants sur 800 mètres de long, pour produire, à partir de l'accélération des électrons, l'émission d'une quantité colossale de photons (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules...) à la même fréquence (Cet article ou cette section doit être recyclé. Sa qualité devrait être largement améliorée en le réorganisant et en le clarifiant. L'utilisateur qui appose ce bandeau est invité à énoncer les points à améliorer en page de discussion.) dans les longueurs d'onde des rayons X durs. Ces photons constituent ainsi le faisceau laser de rayons X le plus puissant du monde (Le mot monde peut désigner :). La puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) délivrée par cet instrument, le LCLS (Linac Coherent Light Sources), est de 6,5 10^15 watts/cm2, soit une augmentation d'un facteur 10 milliards par rapport aux brillances disponibles jusqu'à présent ! Ce chiffre (Un chiffre est un symbole, représentant une valeur numérique, employé pour représenter des nombres. Le mot « chiffre » vient de l'arabe sifr (????????? ?a?-?ifr), utilisé pour « zéro » et signifiant « le vide ». Contrairement à l'alphabet latin, les chiffres européens font partie des écritures de type logographique. Par exemple, le symbole...) est difficilement concevable, quand on sait qu'un réacteur (Un réacteur peut désigner :) de centrale nucléaire (Une centrale nucléaire est une centrale électrique, utilisant la fission nucléaire de matières fissiles pour produire de la chaleur dont une partie est...) délivre une puissance de 1000 mégawatts (10^12 watts)... De plus, cette impulsion laser est très brève: 70 femtosecondes. Toute l'énergie envoyée sur la cible est ainsi concentrée en un temps (Le temps est un concept développé pour représenter la variation du monde : l'Univers n'est jamais figé, les éléments qui le composent bougent, se transforment et évoluent pour l'observateur qu'est l'homme. Si on considère l'Univers comme un système dans son ensemble, l'observateur trouve qu'il a plusieurs états. Ces états, passés,...) extrêmement court, ce qui permet d'obtenir une image avant l'explosion de l'échantillon. Chaque particule biologique injectée dans le faisceau de photons, à une vitesse (La vitesse est une grandeur physique qui permet d'évaluer l'évolution d'une quantité en fonction du temps.) de 300km/h, est transformée en un plasma ( En physique, le plasma décrit un état de la matière constitué de particules chargées (d'ions et d'électrons). Le plasma quark-gluon est un plasma qui constituerait les grandes étoiles à neutrons avant qu'elles ne s'effondrent en trou noir. Une lampe à plasma est une lampe décorative qui utilise la luminosité du...) à une température (La température d'un système est une fonction croissante du degré d'agitation thermique des particules, c'est-à-dire de son énergie thermique. Elle est définit par l'équilibre de transfert de chaleur avec d'autres systèmes.) de 100 000 degrés Kelvin (Le kelvin (symbole K, du nom de Lord Kelvin) est l'unité SI de température thermodynamique. Par convention, les noms d'unité sont des noms communs et...). Mais auparavant, elle a eu le temps de diffracter 1,7 millions de photons à partir desquels est recréée son image, grâce à des méthodes mathématiques (Les mathématiques désignent la science du vrai et du faux en général. C'est-à-dire qu'elle ne s'attache pas à dire ce qui est vrai ou faux dans l'absolu mais relativement à des énoncés, des suppositions.) et des logiciels développés par les chercheurs.

Les aspects biologiques de ces travaux ont été assurés par l'équipe de Chantal Abergel dans le laboratoire CNRS Information génomique et structurale dirigé par Jean-Michel Claverie (professeur à l'Université de la Méditerranée). Les physiciens souhaitaient en effet valider ces travaux sur un objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être désigné par une étiquette verbale. Il est défini par les relations externes qu'il entretient avec son environnement, et il peut évoluer dans le temps. Cependant, certains objets sont...) biologique aussi "spectaculaire" que leur laser. Les chercheurs marseillais ont donc fourni l'objet d'étude, la particule de Mimivirus (le plus gros virus à ADN connu à ce jour, découvert en 2003 par les équipes CNRS de Didier Raoult et de Jean-Michel Claverie à Marseille), et assuré la préparation et l'optimisation des échantillons nécessaires à l'expérience.

Ces travaux valident la faisabilité de l'utilisation d'un accélérateur de particules comme outil (Un outil est un objet finalisé utilisé par un être vivant dans le but d'augmenter son efficacité naturelle dans l'action. Cette augmentation se traduit par la simplification des actions entreprises, par une plus grande rentabilisation de ces actions, ou par l'accès à des actions impossibles sans cet outil.) de biologie structurale pour obtenir en un seul "flash" laser la photographie de particules uniques (virus, bactéries (Les bactéries (Bacteria) sont des organismes vivants unicellulaires procaryotes, caractérisées par une absence de noyau et d'organites. La plupart des bactéries possèdent une paroi cellulaire glucidique, le peptidoglycane. Les bactéries mesurent quelques micromètres de long et peuvent présenter différentes formes : des formes sphériques (coques), des formes...), protéines, cellules...). Ils constituent une avancée "historique" dans le domaine de la biologie structurale. En effet, jusqu'à présent, deux techniques permettaient d'étudier des objets biologiques: la radiocristallographie et la microscopie (La microscopie est l'observation d'un échantillon (placé dans une préparation microscopique plane de faible épaisseur) à travers le microscope. La microscopie permet de rendre visible des éléments...) électronique. Or les exigences requises par ces techniques (être "cristallisables", symétriques, statiques, et d'une taille adéquate) (*) excluent la plupart des objets biologiques et faussent souvent les résultats car elles supposent que toutes les molécules sont identiques et imposent une symétrie qui n'est souvent pas réelle. Avec le laser LCLS, toutes les particules pourront être étudiées individuellement, quelle que soit leur taille et leurs propriétés. Cette technique annonce ainsi une nouvelle ère: celle de la biologie structurale des objets uniques. L'Europe se prépare à relever ce nouveau défi avec son propre instrument, baptisé ELI, dont la mise en chantier vient de commencer.

Le laser LCLS va permettre d'étudier la surface mais aussi l'intérieur des particules puisque les rayons X traversent les échantillons. La résolution actuelle des images obtenues est de quelques nanomètres (1nm=10^-9m). Les chercheurs travaillent actuellement pour optimiser ces performances et obtenir une résolution de l'ordre de quelques angströms (1Å=10^-10m). Les expériences planifiées pour les mois (Le mois (Du lat. mensis «mois», et anciennement au plur. «menstrues») est une période de temps arbitraire.) prochains devraient permettre d'obtenir la structure tridimensionnelle complète (capside et nucléocapside interne) d'une particule de Mimivirus à l'échelle du nanomètre et de comparer différentes particules de Mimivirus entre elles. Les chercheurs pourront ainsi explorer pour la première fois l'existence d'un polymorphisme structural des particules virales.

Note: (*) La radiocristallographie utilise la cristallisation d'un grand nombre d'objets identiques selon un réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un « petit rets », c'est-à-dire un petit filet), on appelle nœud (node) l'extrémité d'une connexion, qui peut être une intersection de plusieurs connexions (un ordinateur, un routeur, un...) régulier pour amplifier leur signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes particulières. Les signaux lumineux sont employés depuis la nuit des temps par les hommes pour communiquer entre eux à distance. Le signal électrique est une des formes les plus récentes de signal. Un signal dans le...) individuel de diffraction (La diffraction est le comportement des ondes lorsqu'elles rencontrent un obstacle qui ne leur est pas complètement transparent ; le phénomène peut être interprété par la diffusion d'une onde par les points de l'objet. La diffraction se manifeste par le fait qu'après la rencontre d'un objet, la densité de l'onde...). La microscopie (La microscopie est l'observation d'un échantillon (placé dans une préparation microscopique plane de faible épaisseur) à travers le microscope. La microscopie permet de rendre visible des éléments...) électronique utilise les symétries (réelles ou approximative) des objets pour en reconstituer la structure tridimensionnelle à partir d'une multitude (des dizaines de milliers) d'images de leur projection (La projection cartographique est un ensemble de techniques permettant de représenter la surface de la Terre dans son ensemble ou en partie sur la surface plane d'une carte.) sur un plan.