DÉTERMINATION DE LA STRUCTURE 3D DES PROTÉINES

Principes de la méthode

Lorsque des atomes possédant un spin nucléaire sont plongés dans un champ magnétique statique B₀ très intense, les moments magnétiques des spins nucléaires, tels de petits aimants, prennent des orientations précises (quantifiées) et sont soumis à un mouvement de précession autour de l'axe du champ magnétique statique. Cette fréquence, aussi appelée fréquence de Larmor ou fréquence de résonance, est déterminée par le rapport gyromagnétique et par le champ magnétique local – c’est-à-dire l’intensité réelle du champ au niveau de chaque atome. En effet, le champ magnétique B₀ polarise les nuages électroniques et induit ainsi des champs locaux qui s'ajoutent ou s'opposent à B₀. Il en résulte que, dans une molécule donnée, différents noyaux ont des fréquences de Larmor qui diffèrent légèrement, en fonction de l'environnement chimique de chacun. Lors d'une expérience RMN, les fréquences de tous les atomes sont mesurées simultanément. Après l'application d’impulsions électromagnétiques générées par un champ oscillant à la fréquence de Larmor et perpendiculaire à B₀, l'aimantation macroscopique résultant de l'ensemble de spins oscille dans le plan perpendiculaire au champ statique. Cette oscillation est détectée sous forme d'un courant généré par induction dans la bobine de détection : le signal de précession libre. Ce signal dans le domaine du temps est mathématiquement induit, par la transformée de Fourier, dans le domaine des fréquences. L’ensemble des fréquences ainsi déterminées constitue un spectre de signaux, le spectre RMN. Le déplacement chimique qui correspond à la fréquence de résonance (la position de chaque signal sur l'axe des fréquences exprimé en partie par million, ou ppm, par rapport à une référence) est le premier paramètre accessible. Par ailleurs, les spins peuvent communiquer entre eux : ces interactions spin-spin peuvent s'établir à travers des liaisons covalentes (interactions scalaires) ou à travers l'espace jusqu'à des distances de plusieurs angströms (interactions dipolaires).

Les expériences en RMN biomoléculaire utilisent des séquences d'impulsions adaptées à la manipulation des spins afin de pouvoir détecter ces interactions sous forme de changement d'intensité d'un signal donné ou, dans des expériences à multiples dimensions, sous forme de nouveaux signaux qui corrèlent ceux des noyaux dont les spins interagissent (pics de corrélation). En 2024, la librairie de séquences d'impulsions développée à l'Institut de biologie structurale à Grenoble pour la RMN biomoléculaire comporte ainsi plus de 120 séquences d'impulsions différentes. En général, la RMN biomoléculaire étudie les molécules en solution, ce qui permet la détection de spectres bien résolus avec des signaux fins. Bien qu’il soit aussi possible d'étudier les protéines à l'état solide (des cristaux, ou des protéines concentrées dans très peu d'eau), il est seulement question ici de la RMN biomoléculaire en solution.

Depuis les premières études de protéines par RMN dans les années 1960, des progrès technologiques majeurs ont contribué à la généralisation de l'utilisation de la RMN dans le domaine de[...]