Qu'est-ce que la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire des protéines ?
What is the nuclear magnetic resonance spectroscopy of proteins?
Nuclear magnetic resonance spectroscopy of proteins (usually abbreviated protein NMR) is a field of structural biology in which NMR spectroscopy is used to obtain information about the structure and dynamics of proteins, and also nucleic acids, and their complexes. The field was pioneered by Richard R. Ernst and Kurt Wüthrich at the ETH,[1] and by Ad Bax, Marius Clore, Angela Gronenborn at the NIH,[2] and Gerhard Wagner at Harvard University, among others. Structure determination by NMR spectroscopy usually consists of several phases, each using a separate set of highly specialized techniques. The sample is prepared, measurements are made, interpretive approaches are applied, and a structure is calculated and validated.

NMR involves the quantum-mechanical properties of the central core ("nucleus") of the atom. These properties depend on the local molecular environment, and their measurement provides a map of how the atoms are linked chemically, how close they are in space, and how rapidly they move with respect to each other. These properties are fundamentally the same as those used in the more familiar magnetic resonance imaging (MRI), but the molecular applications use a somewhat different approach, appropriate to the change of scale from millimeters (of interest to radiologists) to nanometers (bonded atoms are typically a fraction of a nanometer apart), a factor of a million. This change of scale requires much higher sensitivity of detection and stability for long term measurement. In contrast to MRI, structural biology studies do not directly generate an image, but rely on complex computer calculations to generate three-dimensional molecular models.

Currently most samples are examined in a solution in water, but methods are being developed to also work with solid samples. Data collection relies on placing the sample inside a powerful magnet, sending radio frequency signals through the sample, and measuring the absorption of those signals. Depending on the environment of atoms within the protein, the nuclei of individual atoms will absorb different frequencies of radio signals. Furthermore, the absorption signals of different nuclei may be perturbed by adjacent nuclei. This information can be used to determine the distance between nuclei. These distances in turn can be used to determine the overall structure of the protein.

A typical study might involve how two proteins interact with each other, possibly with a view to developing small molecules that can be used to probe the normal biology of the interaction ("chemical biology") or to provide possible leads for pharmaceutical use (drug development). Frequently, the interacting pair of proteins may have been identified by studies of human genetics, indicating the interaction can be disrupted by unfavorable mutations, or they may play a key role in the normal biology of a "model" organism like the fruit fly, yeast, the worm C. elegans, or mice. To prepare a sample, methods of molecular biology are typically used to make quantities by bacterial fermentation. This also permits changing the isotopic composition of the molecule, which is desirable because the isotopes behave differently and provide methods for identifying overlapping NMR signals.
La spectroscopie de résonance magnétique nucléaire des protéines (généralement abrégée RMN des protéines) est un domaine de la biologie structurale dans lequel la spectroscopie RMN est utilisée pour obtenir des informations sur la structure et la dynamique des protéines, ainsi que des acides nucléiques et de leurs complexes. Ce domaine a été inauguré par Richard R. Ernst et Kurt Wüthrich à l'ETH, par Ad Bax, Marius Clore, Angela Gronenborn au NIH et Gerhard Wagner à l'université de Harvard, entre autres. La détermination de la structure par spectroscopie RMN consiste généralement en plusieurs phases, chacune utilisant un ensemble distinct de techniques hautement spécialisées. L'échantillon est préparé, des mesures sont effectuées, des approches interprétatives sont appliquées et une structure est calculée et validée.

La RMN fait intervenir les propriétés mécaniques quantiques du noyau central de l'atome. Ces propriétés dépendent de l'environnement moléculaire local et leur mesure fournit une carte de la façon dont les atomes sont liés chimiquement, de leur proximité dans l'espace et de la vitesse à laquelle ils se déplacent les uns par rapport aux autres. Ces propriétés sont fondamentalement les mêmes que celles utilisées dans l'imagerie par résonance magnétique (IRM), plus familière, mais les applications moléculaires utilisent une approche quelque peu différente, adaptée au changement d'échelle du millimètre (qui intéresse les radiologues) au nanomètre (les atomes liés sont généralement séparés d'une fraction de nanomètre), soit un facteur d'un million. Ce changement d'échelle exige une sensibilité de détection et une stabilité beaucoup plus élevées pour les mesures à long terme. Contrairement à l'IRM, les études de biologie structurale ne génèrent pas directement une image, mais s'appuient sur des calculs informatiques complexes pour générer des modèles moléculaires tridimensionnels.

Actuellement, la plupart des échantillons sont examinés dans une solution aqueuse, mais des méthodes sont mises au point pour travailler également avec des échantillons solides. La collecte des données consiste à placer l'échantillon dans un aimant puissant, à envoyer des signaux de radiofréquence à travers l'échantillon et à mesurer l'absorption de ces signaux. En fonction de l'environnement des atomes dans la protéine, les noyaux des atomes individuels absorberont différentes fréquences de signaux radio. En outre, les signaux d'absorption de différents noyaux peuvent être perturbés par des noyaux adjacents. Cette information peut être utilisée pour déterminer la distance entre les noyaux. Ces distances peuvent à leur tour être utilisées pour déterminer la structure globale de la protéine.

Une étude typique peut porter sur l'interaction entre deux protéines, éventuellement en vue de développer de petites molécules qui peuvent être utilisées pour sonder la biologie normale de l'interaction ("biologie chimique") ou pour fournir des pistes pour une utilisation pharmaceutique ("développement de médicaments"). Souvent, la paire de protéines en interaction peut avoir été identifiée par des études de génétique humaine, indiquant que l'interaction peut être perturbée par des mutations défavorables, ou elle peut jouer un rôle clé dans la biologie normale d'un organisme "modèle" comme la mouche des fruits, la levure, le ver C. elegans ou les souris. Pour préparer un échantillon, les méthodes de la biologie moléculaire sont généralement utilisées pour produire des quantités par fermentation bactérienne. Cela permet également de modifier la composition isotopique de la molécule, ce qui est souhaitable car les isotopes se comportent différemment et fournissent des méthodes pour identifier les signaux RMN qui se chevauchent.
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