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CrystalandCrystallographyareprecioustoolsforScience

Le cristal et la cristallographie, des outils précieux de la science

Using crystals to understand living organisms

Scientists strive to identify the structure of living organisms, In order to understand how they function and the role played by the various proteins. X-ray crystallography has proven to be an extremely powerful technique for ‘seeing’ the structure of proteins. It does have its limitations, though, as the proteins have to be shaped like crystals.

Growingproteincrystals

Proteins are large biological molecules (macromolecules) that are essential for life; they are made of amino acids. Each protein has a specific function linked directly to its three-dimensional structure, i.e. the manner in which the various amino acids are arranged. Sometimes proteins do naturally form crystals, but rarely, so these crystals have to be made artificially.

...inordertostudythem

There is a very strong relationship between the atomic arrangement (the structure) of a biological macromolecule and its function: once its exact shape is known, it becomes possible to make hypotheses as to the role it plays and how it functions. The study of crystals relates to basic research, by deepening our understanding of biological processes, and to applied research, through the synthesis of new medicines.

Afin de mieux comprendre le fonction-nement du vivant et le rôle des différentes protéines, les scientifiques cherchent à connaître leur structure. Pour cela, la diffraction des rayons X (ou radiocristallographie) est une technique extrêmement puissante. Elle présente une contrainte importante : il faut que les protéines soient sous forme de cristaux.

« Cultiver » des cristaux de protéinesLes protéines, sont de grosses molécules (macromolécules) biologiques essentielles à la vie, elles sont formées d’acides aminés. Chaque protéine a une fonction spécifique, directement liée à sa structure tridimensionnelle, c’est-à-dire à la manière dont les acides aminés sont agencés les uns par rapport aux autres dans l’espace. Parfois les protéines peuvent former naturellement des cristaux, mais c’est rare, il faut donc fabriquer ces cristaux artificiellement.

… pour les étudierIl existe une relation très étroite entre l’arrangement atomique (la structure) d’une macromolécule biologique et sa fonction : la connaissance précise de sa forme permet de faire des hypothèses sur son rôle et la façon dont elle réalise sa fonction. Les études concernent la recherche fondamentale, pour une compréhension fine des processus biologiques, et la recherche appliquée, ainsi la synthèse de nouveaux médicaments.

Cristal aux multiples facettes, • Objetd’émerveillement• ObjetdescienceetdeconnaissancedelaMatièreetdelaVie• Objetcontemporainauxmultiplesapplications

Le Cristal et la Cristallographie sont des outils précieux pour la Science

Crystal and crystallography are precious tools for science

Voyage dans le Cristal

A journey into the Crystal

Des cristaux pour comprendre le vivant

Macromolecules.Biological macromolecules are

enormous molecules composed of thousands, or even hundreds of thousands, of

atoms. They belong to one of two families :- nucleic acids, which either carry our body’s genetic

message (DNA) or act as the intermediary which transcribes this message (RNA);- proteins, which result from the transcription of the body’s genetic message; proteins may catalyse

chemical reactions (enzymes) or transport other molecules (like haemoglobine, which transports

oxygen), or they may be structural proteins (like keratine, which waterproofs our

skin).© IUCr journals

Les macromolécules. Les macromolécules biologiques

sont des énormes molécules composées de plusieurs milliers à plusieurs centaines de

milliers d’atomes et appartiennent à l’une des 2 familles :

- les acides nucléiques qui sont les supports (ADN) ou les intermédiaires de traduction du message génétique de notre organisme (ARN). - les protéines qui sont les produits de la traduction du message génétique ; elles catalysent des réactions

chimiques (les enzymes), transportent d’autres molécules (comme l’hémoglobine qui transporte

l’oxygène) ou peuvent être des protéines structurales (comme la kératine qui

imperméabilise la peau).© IUCr journals

Abiocrystallographicexperiment

In biocrystallography, carrying out an experiment entails:

(a) producing masses of macromolecules in an ultra-pure form; (b) « growing » crystals, an

empirical, lengthy step done largely by robots; (c) irradiating crystals using a synchrotron source capable of producing intense X-rays (like the ESRF in Grenoble or SOLEIL near Paris), since biological

crystals are tiny (~0.1mm) and emit a weak signal; (d) analysing images of the diffraction pattern

obtained, in order to determine the structure of the molecule under study.

© ESRF Expérience de biocristallographie

Ces expériences de consistent à :(a) produire de grandes quantités de

macromolécules sous forme ultra-pure; (b) « cultiver » des cristaux, cette étape empirique et

longue est en grande partie robotisée; (c) irradier ces cristaux avec une source synchrotron intense de rayons X (comme l’ESRF à Grenoble ou SOLEIL près de Paris) car les petits cristaux biologiques

(~0.1mm) donnent un signal faible; (d) analyser des clichés de diffraction recueillis

pour déterminer la structure de la molécule étudiée.

© ESRF

Malaria Malaria is transmitted via

mosquito bites. It causes nearly three million deaths a year. Available

treatments are proving less and less effective. To facilitate research into new medicines, scientists need to study the

structure of the transmitter proteins which pass on the parasite to red

blood cells. © EMBL Malaria

La malaria est transmise par des piqûres de moustiques.

Elle cause près de trois millions de morts par an. Les traitements sont de

moins en moins efficaces. Pour faciliter la recherche de nouveaux médicaments il est nécessaire d’étudier la structure

des protéines relais qui transmettent le parasite vers les globules

rouges. © EMBL

Preparingbiologicalcrystals foradiffractionexperiment

Just like the crystal of an inorganic molecule, a biological crystal is a perfectly three-dimensional

stack of, in this case, macromolecules. Between each large molecule, however, there is a canal to let through ions and water molecules; manipulate a macromolecule and it may dry out and lose its

particular properties. That is why biological crystals are first frozen before being studied

by a synchrotron light, intense X-rays…

© EMBL-GrenobleCristauxbiologiques

préparés pour une expérience de diffraction.

Comme un cristal de molécule inorganique, un cristal biologique est un empilement parfait

tridimensionnel, ici de macromolécules. En revanche, ce dernier possède entre ces grosses molécules des canaux qui laissent passer les ions ou les molécules d’eau ; il ne peut donc pas être manipulé dans l’air sous

peine de se dessécher et de perdre ses propriétés.

Les cristaux biologiques sont congelés avant d’être étudiés à la lumière synchrotron des

rayons X très intenses...

© EMBL-Grenoble