Illustration d’un paquet d’ondes quantiques à proximité immédiate d’une intersection conique entre deux surfaces d’énergie potentielle. Le paquet d’ondes représente le mouvement collectif de plusieurs atomes dans la protéine jaune photoactive. Une partie du paquet d’ondes se déplace à travers l’intersection d’une surface d’énergie potentielle à l’autre, tandis qu’une autre partie reste sur la surface supérieure, conduisant à une superposition d’états quantiques. Crédit : DESY, Niels Breckwoldt
L’intelligence artificielle offre des informations sans précédent sur le fonctionnement des biomolécules.
Une nouvelle technique analytique est capable de fournir des informations jusqu’ici inaccessibles sur la dynamique extrêmement rapide des biomolécules. L’équipe de développeurs, dirigée par Abbas Ourmazd de l’Université du Wisconsin-Milwaukee et Robin Santra de DESY, présente son savante combinaison de physique quantique et de biologie moléculaire dans la revue scientifique La nature. Les scientifiques ont utilisé cette technique pour suivre la manière dont la protéine jaune photoactive (PYP) subit des changements dans sa structure en moins d’un billionième de seconde après avoir été excitée par la lumière.
“Afin de comprendre précisément les processus biochimiques dans la nature, tels que la photosynthèse chez certaines bactéries, il est important de connaître la séquence détaillée des événements”, explique Santra leur motivation sous-jacente. “Lorsque la lumière frappe des protéines photoactives, leur structure spatiale est modifiée et ce changement structurel détermine le rôle qu’une protéine joue dans la nature.” Jusqu’à présent, cependant, il a été presque impossible de suivre la séquence exacte dans laquelle les changements structurels se produisent. Seuls les états initial et final d’une molécule avant et après une réaction peuvent être déterminés et interprétés en termes théoriques. “Mais nous ne savons pas exactement comment l’énergie et la forme changent entre les deux”, explique Santra. “C’est comme voir quelqu’un croiser les mains, mais vous ne pouvez pas le voir entrelacer ses doigts pour le faire.”
Alors qu’une main est assez grande et que le mouvement est assez lent pour que nous puissions la suivre des yeux, les choses ne sont pas si faciles quand on regarde les molécules. L’état énergétique d’une molécule peut être déterminé avec une grande précision à l’aide de la spectroscopie ; et des rayons X brillants, par exemple d’un laser à rayons X, peuvent être utilisés pour analyser la forme d’une molécule. La longueur d’onde extrêmement courte des rayons X signifie qu’ils peuvent résoudre de très petites structures spatiales, telles que les positions des atomes dans une molécule. Cependant, le résultat n’est pas une image comme une photographie, mais plutôt un motif d’interférence caractéristique, qui peut être utilisé pour déduire la structure spatiale qui l’a créé.
Flashs de rayons X lumineux et courts
Les mouvements étant extrêmement rapides au niveau moléculaire, les scientifiques doivent utiliser des impulsions de rayons X extrêmement courtes pour éviter que l’image ne soit floue. Ce n’est qu’avec l’avènement des lasers à rayons X qu’il est devenu possible de produire des impulsions de rayons X suffisamment brillantes et courtes pour capturer ces dynamiques. Cependant, étant donné que la dynamique moléculaire se déroule dans le domaine de la physique quantique où les lois de la physique s’écartent de notre expérience quotidienne, les mesures ne peuvent être interprétées qu’à l’aide d’une analyse physique quantique.
Une particularité des protéines photoactives doit être prise en considération : la lumière incidente excite leur enveloppe électronique pour entrer dans un état quantique supérieur, ce qui provoque un changement initial de la forme de la molécule. Ce changement de forme peut à son tour entraîner le chevauchement des états quantiques excité et fondamental. Dans le saut quantique résultant, l’état excité revient à l’état fondamental, la forme de la molécule restant initialement inchangée. L’intersection conique entre les états quantiques ouvre donc une voie vers une nouvelle structure spatiale de la protéine dans l’état fondamental de la mécanique quantique.
L’équipe dirigée par Santra et Ourmazd a maintenant réussi pour la première fois à démêler la dynamique structurelle d’une protéine photoactive à une telle intersection conique. Ils l’ont fait en s’appuyant sur l’apprentissage automatique car une description complète de la dynamique nécessiterait en fait de considérer tous les mouvements possibles de toutes les particules impliquées. Cela conduit rapidement à des équations ingérables qui ne peuvent pas être résolues.
6000 dimensions
“La protéine jaune photoactive que nous avons étudiée se compose de quelque 2000 atomes”, explique Santra, qui est scientifique principal à DESY et professeur de physique à l’Universität Hamburg. « Depuis chaque atome est fondamentalement libre de se déplacer dans les trois dimensions spatiales, il y a un total de 6000 options de déplacement. Cela conduit à une équation de mécanique quantique à 6000 dimensions – que même les ordinateurs les plus puissants d’aujourd’hui sont incapables de résoudre. »
Cependant, des analyses informatiques basées sur l’apprentissage automatique ont pu identifier des modèles dans le mouvement collectif des atomes dans la molécule complexe. « C’est comme lorsqu’une main bouge : là aussi, on ne regarde pas chaque atome individuellement, mais leur mouvement collectif », explique Santra. Contrairement à une main, où les possibilités de mouvement collectif sont évidentes, ces options ne sont pas aussi faciles à identifier dans les atomes d’une molécule. Cependant, en utilisant cette technique, l’ordinateur a pu réduire les dimensions d’environ 6000 à quatre. En démontrant cette nouvelle méthode, l’équipe de Santra a également pu caractériser pour la première fois une intersection conique d’états quantiques dans une molécule complexe composée de milliers d’atomes.
Le calcul détaillé montre comment cette intersection conique se forme dans un espace à quatre dimensions et comment la protéine jaune photoactive la traverse pour revenir à son état initial après avoir été excitée par la lumière. Les scientifiques peuvent désormais décrire ce processus par pas de quelques dizaines de femtosecondes (quadrillionièmes de seconde) et ainsi faire progresser la compréhension des processus photoactifs. « En conséquence, la physique quantique fournit de nouvelles connaissances sur un système biologique, et la biologie fournit de nouvelles idées pour la méthodologie de la mécanique quantique », déclare Santra, qui est également membre du pôle d’excellence de Hambourg « CUI : Advanced Imaging of Matter » . « Les deux champs se fertilisent mutuellement dans le processus. »
Référence: “Résolution de quelques fs d’une protéine photoactive traversant une intersection conique” par A. Hosseinizadeh, N. Breckwoldt, R. Fung, R. Sepehr, M. Schmidt, P. Schwander, R. Santra et A. Ourmazd, 3 novembre 2021, La nature.
DOI : 10.1038 / s41586-021-04050-9
