ISOLDE explore l'ADN

Magdalena Kowalska, chercheuse à ISOLDE, dirige l'étude des molécules d'ADN au moyen d'isotopes. (Image : Sophia Bennett/CERN)

Les installations du CERN ne se limitent pas exclusivement à la physique des particules. C'est ainsi que des scientifiques travaillant auprès de l'installation de physique nucléaire ISOLDEs'intéressent maintenant aux molécules d'ADN. Ils ont appliqué à ces molécules une variante ultrasensible de la spectroscopie par résonance magnétique nucléaire (RMN), appelée  RMN bêta, tant dans des environnements solides que dans des environnements liquides semblables à celui des cellules. La RMN  bêta est largement utilisée pour étudier des noyaux exotiques et des matériaux solides, mais c'est la première fois qu'elle est appliquée à des matériaux biologiques.

Les données, enregistrées en mai, montrent que le signal RMN produit par un isotope du sodium se modifie et disparaît beaucoup plus lentement en présence de molécules d'ADN, ce qui met évidence une interaction entre entre cet élément vital et l'ADN. De futurs travaux devraient permettre de mieux comprendre cette interaction et de révéler le site de fixation du sodium dans l'ADN.

La spectroscopie RMN est une technique incontournable pour visualiser la structure de molécules biologiques, telles que les protéines et l'ADN, ainsi que leur interaction avec des ions métalliques essentiels comme le sodium ou le potassium. Il s’agit d’exposer à un fort champ magnétique quelques microgrammes d'un échantillon de molécules biologiques et d’analyser comment les noyaux magnétiques présents dans l'échantillon absorbent les ondes radio. Sous l'action du champ magnétique, les spins des noyaux s'alignent, soit de façon parallèle, soit de façon antiparallèle, sur le champ magnétique, et, sous l'effet des ondes radio, les spins changent de direction. La fréquence radio qui déclenche ce changement dépend de la force du champ magnétique ainsi que de l'identité et de l'environnement des noyaux. Le renversement de spin, ou signal RMN, est détecté au moyen du courant électrique induit dans une bobine radiofréquence.

Toutefois, cette technique est relativement peu sensible ; pour qu'un signal RMN utile soit produit, il faut un grand nombre de noyaux magnétiques. En revanche, la spectroscopie de RMN bêta est sensible même avec un nombre beaucoup moins élevé de noyaux magnétiques dans l'échantillon. Dans cette variante de la résonnance magnétique nucléaire, qui est jusqu'à un milliard de fois plus sensible que la technique classique, les noyaux magnétiques peuvent être orientés précisément au moyen d’un rayon laser ; le signal RMN est détecté lorsque des particules bêta (électrons ou positons) sont émises par les noyaux magnétiques à durée de vie courte implantés dans l'échantillon.

Pour son étude, l'équipe de recherche d'ISOLDE, dirigée par Magdalena Kowalska, a extrait des ions sodium à durée de vie courte produits par l'installation ISOLDE, les a placés dans des échantillons contenant des molécules d'ADN – en milieu solide, et également en milieu liquide comparable à celui d'une cellule – puis a appliqué la technique RMN bêta. Elle a analysé des structures G-quadruplex d'ADN, variantes de la structure à double hélice bien connue.

L’équipe a constaté que le signal RMN émis par le sodium disparaît beaucoup plus lentement, soit sur un intervalle de temps de l'ordre d'une seconde, lorsque des structures G-quadruplex d'ADN sont présentes dans les échantillons. Cela concorde avec les études utilisant la résonnance magnétique nucléaire classique réalisées sur d'autres structures d'ADN, qui donnent les mêmes résultats lorsque du sodium « libre » s'approche des molécules d'ADN. De futurs travaux consistant à analyser finement les spectres RMN en les confrontant à des analyses chimiques devraient permettre de déterminer la position du sodium dans les échantillons d'ADN.

À plus long terme, l’équipe espère également étudier d'autres isotopes, tels que le cuivre ou le zinc, qui, pour des raisons encore mal élucidées, tendent à se retrouver, en grandes quantités pour le cuivre et en petites quantités pour le zinc, dans le cerveau de patients souffrant de la maladie d'Alzheimer ou de Parkinson.