Avec un peu d’imagination, l’ADN ressemble beaucoup à une corde torsadée : une longue chaîne flexible de brins torsadés. Vous pouvez saisir une corde, l’étirer et la retourner. C’est aussi possible avec un brin d’ADN, bien que ce brin soit un milliard de fois plus petit. C’est un travail. Vous avez également besoin d’une mini pince à épiler pour cette mini ficelle.
Un tel travail méticuleux est la spécialité de Nynke Dekker (1971), professeur de biophysique moléculaire à l’Institut Kavli des nanosciences de la TU Delft. Elle construit elle-même l’équipement complexe pour saisir les molécules d’ADN individuelles. Elle recevra fin mai le prix néerlandais de physique, en raison de sa manière innovante de rechercher à l’échelle nanométrique. « Les ingénieurs en mécanique comprennent les grosses machines », déclare Dekker. « Nous essayons de comprendre comment fonctionnent les petites machines biologiques. Tout est possible en biologie, je l’ai compris maintenant.
Qu’est-ce qui vous passionne dans ce domaine ?
« Au début de ce siècle, les scientifiques ont acquis de plus en plus de contrôle sur les molécules biologiques, et vous pouviez faire des tests de plus en plus précis. Je pensais que ce serait fantastique en tant que physicien de faire partie de ce mouvement. Les physiciens étaient une chose indépendante à l’époque, des nerds construisant leurs nouveaux instruments. Mais au final nous nous sommes avérés utiles et puis nous avons été en partie absorbés par la biologie.
« C’est aussi ce qui rend ce domaine amusant, qu’il soit si interdisciplinaire. En plus des physiciens pour les instruments, nous avons besoin de biochimistes pour la purification et la caractérisation des protéines et de programmeurs pour l’analyse des données. De cette façon, une équipe peut réaliser ce qu’aucun individu ne pourrait réaliser seul. De nouveaux développements émergent dans ce domaine, comme la microscopie à super-résolution ou de nouvelles méthodes de séquençage de l’ADN.
Parce qu’il s’agit d’un processus biologique crucial, nous sommes curieux de savoir comment il fonctionne à l’échelle nanométrique
La biophysique moléculaire est une bouchée. Que faites-vous en tant que biophysicien moléculaire ?
« En fait, deux choses : nous concevons des instruments avec lesquels nous pouvons observer des molécules individuelles. Nous l’utilisons ensuite pour étudier ce que font ces molécules. Nous posons en fait des questions biologiques, auxquelles nous répondons d’un point de vue physique. Mon intérêt réside dans la réplication de l’ADN, la copie de l’ADN. Le mécanisme sous-jacent est étudié depuis un certain temps à partir de la biochimie : quelles protéines sont impliquées ? D’un point de vue biophysique, vous jetez un coup d’œil sous le capot. Comment toutes ces protéines se déplacent-elles ? »
Pourquoi voulez-vous savoir avec autant de détails comment fonctionne la réplication de l’ADN ?
« Si le réplisome, le complexe protéique qui régule la réplication de l’ADN, n’est pas correctement assemblé ou se déplace, alors l’ADN n’est pas copié correctement. Alors vous avez un problème. Comme il s’agit d’un processus biologique crucial, nous sommes curieux de savoir comment il fonctionne à l’échelle nanométrique. Parce que nous mesurons chaque réplicome individuel, nous pouvons obtenir une image de l’ensemble du mécanisme de réplication à l’œuvre, avec une très haute résolution.
Comment faites-vous cela, des mesures sur des molécules individuelles?
« Nous mesurons le nombre de protéines, leur vitesse et où elles se déplacent. Cela peut se faire, par exemple, en collant des étiquettes lumineuses sur vos protéines. Avec un microscope à fluorescence, vous pouvez suivre leur déplacement sur l’ADN, vous les filmez à l’échelle nanométrique.
« Nous mesurons aussi des forces. Quelle est l’influence de la forme de l’ADN, c’est-à-dire la longueur ou la torsion, sur le fonctionnement d’une protéine ? Prenons, par exemple, un moteur protéique qui se déplace sur l’ADN. Il exerce une force sur le brin. Si vous exercez également une force dans la direction opposée sur l’ADN, vous pouvez mesurer la puissance de cette protéine. Nous le faisons avec des pincettes magnétiques, entre autres.
Nous concevons nos instruments selon nos propres souhaits, afin de pouvoir mesurer exactement ce que nous voulons mesurer
Dekker marche vers le laboratoire, descend un large escalier et traverse des couloirs blancs. « Je me perds parfois ici, car je ne suis pas souvent ici. Je passe plus de temps dans mon bureau. Une porte mène à une pièce sans lumière du jour. Une grande boîte en verre, fermée par un rideau, se dresse sur une table solide. Il contient un arrangement qui présente de nombreuses similitudes avec un microscope. Là où se trouve normalement une lentille, il y a des aimants.
« C’est en fait assez simple. Il y a de l’ADN sur une plaque sous ces aimants. Vous collez une extrémité du brin sur la plaque de verre, l’autre sur une bille aimantée. Les aimants ci-dessus attirent ces sphères, ce qui exerce une force sur l’ADN. Avec un moteur, nous pouvons déplacer les aimants de haut en bas et les faire tourner, provoquant l’étirement ou la rotation de l’ADN. Cela influence à son tour le fonctionnement des protéines.
Il semble que cette configuration ait été auto-construite.
« Beats. Nous avions l’habitude de construire tous les instruments nous-mêmes, maintenant j’estime 60 %. Nous concevons nos instruments selon nos propres souhaits, afin de pouvoir mesurer exactement ce que nous voulons mesurer. Au départ, il a fallu des mois pour concevoir les pincettes magnétiques. Il s’agit maintenant plus d’un kit de construction Lego. Nous allons en construire un dans quelques semaines.
«Nous les avons utilisés plus récemment dans nos recherches sur les virus. Ils n’ont besoin que d’une seule protéine de réplication, la polymérase, ce qui rend les expériences relativement simples. Nous avons étudié comment les inhibiteurs de virus entravent une telle polymérase au niveau moléculaire, ce qui nous permet d’identifier le point faible d’un mécanisme de réplication. Sur la base de cette idée, d’autres scientifiques peuvent concevoir des inhibiteurs pour réduire une population de virus.
Je ne suis pas un ingénieur qui comprend comment fonctionne la toute dernière cafetière
« Nous avons sept de ces pinces magnétiques ici, mais ironiquement nous n’en utilisons pas pour le moment. En effet, ces dernières années, nous avons principalement étudié le réplisome des cellules à noyau cellulaire. Il ne se compose pas d’une protéine, mais d’au moins quinze. Cela va souvent mal avec cette configuration : avec cette configuration, vous ne pouvez pas voir si le replisome est correctement assemblé. Une protéine peut toujours coller à l’image, alors l’expérience ne vous sera plus d’aucune utilité.
« C’est pourquoi nous travaillons désormais davantage avec la microscopie à fluorescence. Nous l’avons récemment utilisé pour cartographier le fonctionnement de l’hélicase : un complexe protéique qui décompresse l’ADN afin qu’il puisse être copié. Notre but ultime est de comprendre comment le réplisome fonctionne dans son ensemble. Vous avez besoin de techniques complexes pour cela. C’est pourquoi nous allons bientôt intégrer la microscopie à fluorescence dans les pinces magnétiques.
Trouvez-vous les machines à l’échelle « normale » aussi intéressantes que les machines à l’échelle nanométrique ?
« Non, je ne suis pas un ingénieur qui cherche à savoir comment fonctionne la toute dernière machine à café. J’ai toujours eu une fascination pour les petits. Je ne peux pas donner de raison rationnelle à cela, mais à une si petite échelle, une machine semble plus maniable. »