Le SwissFEL, la plus récente des grandes installations de recherche du PSI, associe technique de laser à rayons X et capteurs sophistiqués. Les sciences des matériaux, la recherche sur l’environnement et l’énergie, et surtout les sciences de la vie profitent des nouvelles possibilités qu’offre cet instrument de 750 m de longueur.

Professeur Gebhard Schertler et soneuqipe. Photo: Basil Stücheli

Une section de la forêt de Würenlingen abrite l’une des attractions les plus rares au monde. «Si le Japon ou les Etats-Unis nous envient bien une chose, c’est elle», affirme le professeur Gebhard Schertler, en désignant la Jungfrau qui étincelle, au milieu de la pièce, avec ses surfaces reluisantes, ses câbles et ses LED qui clignotent. La Jungfrau est un nouveau genre de détecteur à pixels en deux dimensions, développé
pour le SwissFEL et destiné aux travaux pointus de recherche utilisant la lumière de type rayons X. Le détecteur abrite des capteurs de mesure haute précision pour les impulsions de rayons X produites dans le tunnel de quasiment 750 m de longueur caché dans la forêt. Le SwissFEL est la plus récente des grandes installations de recherche de l’Institut Paul Scherrer (PSI). Il génère des impulsions de rayons X intenses et extrêmement courtes. Cette méthode ouvre de toutes nouvelles portes aux scientifiques qui peuvent désormais filmer «en temps réel» l’évolution structurale de biomolécules.

La forêt qui accueille l’installation jouxte le site du PSI. G. Schertler est fier de présenter son outil de travail. A la tête de la division de recherche Biologie et Chimie du PSI, il a pour mission d’exploiter au maximum le potentiel des appareils de mesure de l’institut. Les scientifiques s’intéressent surtout aux nouvelles possibilités de décryptage de l’agencement des molécules de protéines. Depuis longtemps, la Source de Lumière Synchrotron Suisse (SLS) du PSI permet d’examiner la structure spatiale des protéines par cristallographie des protéines. Mais les protéines ne sont pas des objets fixes: elles bougent, pendant quelques femtosecondes à quelques secondes. G. Schertler et ses collègues veulent «filmer» les protéines en mouvement. Une fois que l’on saura comment le changement structural d’une protéine influence sa fonction, on comprendra comment agit un médicament ou pourquoi une maladie se déclare.

«La vie est dynamique, les modifications structurales des protéines sont à la base du vivant et sont les vecteurs de tout processus vivant», précise professeur G. Schertler.

Pour filmer une modification structurale, il faut commencer par former des cristaux au sein desquels les protéines s’organisent sous forme de structure périodique régulière. On doit ensuite amener les protéines à s’activer toutes en même temps. Le mieux est d’employer des protéines photo-activables que l’on trouve à l’état naturel. L’application d’impulsions laser courtes de lumière visible déclenche le déplacement synchronisé des protéines. Ensuite, on procède aux mesures avec l’impulsion de rayons X du Swiss- FEL. En modifiant le laps de temps entre l’activation et la mesure, on peut «photographier» une structure de protéine à tout moment de son mouvement et ainsi obtenir un «film moléculaire» à partir d’instantanés moléculaires.

Actuellement, les scientifiques atteignent une résolution de temps de plusieurs centaines de femtosecondes lors de leurs expériences sur le SwissFEL. Une femtoseconde équivaut à un billiardième de seconde. La résolution de temps indique l’intervalle de temps entre deux photos qui se suivent au sein du «film» virtuel qui visualise le mouvement des protéines. Une résolution de temps supérieure permettrait d’observer des processus encore plus rapides. G. Schertler souhaiterait descendre jusqu’à 50 femtosecondes.

Jungfrau am PSI

La Jungfrau du PSI est au top mondial: ce nouveau genre de détecteur à pixels en deux dimensions développé pour le SwissFEL est destiné aux travaux pointus de recherche utilisant la lumière de type rayons X. Photo: Basil Stücheli

Cette installation cachée dans la forêt pourrait être le berceau d’une révolution scientifique. «La vie est dynamique, les modifications structurales des protéines sont à la base du vivant et sont les vecteurs de tout processus vivant», précise le professeur. Jusqu’à présent, on n’a guère eu accès à ces processus dynamiques, d’où le sentiment d’arriver sur un nouveau continent.

La division dirigée par G. Schertler a pour mission essentielle de cartographier ce continent et de l’explorer. Ces découvertes seront de première importance pour les sciences de la vie, soulignent à l’unisson le professeur et son collaborateur, Gregor Cicchetti. Ces processus sont difficilement observables à l’aide des méthodes classiques de biologie. Mais le SwissFEL, associé à d’autres méthodes d’analyse, comme la spectroscopie ou la microscopie électronique, démultiplie les possibilités. G. Schertler parle de «biologie structurale intégrative».

Le professeur est certain que les récents succès ne sont qu’un début. Tôt ou tard, on pourra observer des structures biologiques in situ, c’est-à-dire dans leur environnement cellulaire naturel, plutôt que dans un cristal ou une solution pure de protéines dans une résolution atomique. Un objectif aussi ambitieux ne peut se réaliser que dans un institut de recherche tel que le PSI qui mène traditionnellement des projets sur le long terme.