Cristallographie électronique
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La cristallographie électronique est une méthode permettant de déterminer la disposition des atomes dans les solides à l'aide d'un microscope électronique en transmission (MET ou (en) TEM). Cela peut impliquer l’utilisation d’images de microscopie électronique en transmission à haute résolution (HRTEM), de diagrammes de diffraction électronique, dont la diffraction d'électrons à faisceau convergent, ou de combinaisons de ceux-ci. Elle a été capable de déterminer certaines structures globales, ainsi que des structures superficielles[1],[2]. Il existe deux méthodes apparentées que sont la diffraction d'électrons lents (LEED), qui a permis de résoudre la structure de nombreuses surfaces, et la diffraction d'électrons de haute énergie en incidence rasante (RHEED), utilisée généralement pour observer les surfaces pendant la croissance.
La cristallographie électronique peut compléter la cristallographie aux rayons X pour l'étude de très petits cristaux (inférieurs à 0,1 micromètre), à la fois inorganiques, organiques et de protéines, telles que les protéines membranaires, qui ne s'assemblent pas facilement en gros cristaux tridimensionnels requis pour ce processus. Les structures protéiques sont généralement déterminées à partir de cristaux bidimensionnels (feuillets ou hélices), de polyèdres tels que les capsides de virus ou de protéines individuelles dispersées. Les canons à électrons des microscopes MET peuvent être utilisés dans ces situations, contrairement aux rayons X, car les électrons interagissent plus fortement avec les atomes. Ainsi, les rayons X traverseront un mince cristal bidimensionnel sans diffracter de manière significative, alors que les électrons peuvent être utilisés pour former une image. À contrario, la forte interaction entre les électrons et les protons rend imperméables les cristaux épais (de couche tridimensionnelle supérieure à 1 μm) aux électrons qui ne traversent que des faibles épaisseurs.
L'un des principaux écueils de la cristallographie aux rayons X demeure la difficulté de déterminer les phases du diagramme de diffraction. À cause de la complexité des lentilles pour les rayons X, l'image du cristal diffracté peut être brouillée et les informations de phase perdues. Les microscopes électroniques sont capables d'appréhender la structure atomique directement et les informations de phase du facteur de structure cristallographique peuvent en être déterminées expérimentalement à partir de la transformée de Fourier d'une image. Cette dernière, à résolution atomique se rapproche d'un diagramme de diffraction : avec des points de réseau réciproques reflétant la symétrie et la structure d'un cristal[3]. Le physicien et chimiste britannique Aaron Klug a compris que les informations de phase pouvaient être lues directement dans la transformée de Fourier d'une image de microscopie électronique numérisée, au moyen d'ordinateurs, et ce dès 1968. Pour cela, ainsi que pour ses études sur les structures virales et l'ARN de transfert, Klug a reçu le prix Nobel de chimie en 1982.
Dommages causés par les radiations
Les radiations altèrent notamment les molécules organiques et les protéines lors de leur imagerie, ce qui constitue un inconvénient à la fois à la cristallographie aux rayons X et à la cristallographie électronique, limitant ainsi la résolution pouvant être obtenue. C'est particulièrement gênant pour la cristallographie électronique, où les dommages causés par les radiations se concentrent sur une cible de beaucoup moins d’atomes. Pour limiter les dommages causés par les radiations, on utilise la cryomicroscopie électronique, où les échantillons sont soumis à une cryoconservation et l'imagerie a lieu à des températures d'azote liquide ou même d'hélium liquide. Ce problème fait que la cristallographie aux rayons X est plus apte à déterminer la structure des protéines particulièrement vulnérables aux dommages causés par les radiations. Les dommages causés par les radiations ont été récemment étudiés à l'aide de MicroED (en)[4],[5] de minces cristaux tridimensionnels congelés et hydratés.
Structures protéiques déterminées par cristallographie électronique
La première cristallographie électronique d'une structure protéique à atteindre une résolution d'ordre atomique était celle de la bactériorhodopsine, opérée par Richard Henderson et ses collègues dans le cadre du Conseil de la recherche médicale du Laboratory of Molecular Biology de Cambridge en 1990[6]. Pourtant, déjà en 1975, Unwin et Henderson avaient déterminé la première structure protéique membranaire à résolution intermédiaire (7 Ångström), montrant pour la première fois la structure interne d'une protéine membranaire, avec ses hélices alpha perpendiculaires au plan de la membrane. Dès lors, plusieurs autres structures à haute résolution ont été déterminées par cristallographie électronique, notamment l'antenne collectrice de la chlorophylle[7], le récepteur nicotinique de l'acétylcholine[8], et le flagelle bactérien[9]. La structure protéique captée avec la plus haute résolution par cristallographie électronique de cristaux 2D est celle de l'aquaporine-0 du canal hydrique[10]. En 2012, Jan Pieter Abrahams et ses collègues ont étendu la cristallographie électronique aux nanocristaux de protéines tridimensionnelles[11] par diffraction électronique par rotation (RED)[12].
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