​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​ ​La vitamine B12 est un cofacteur organométallique* présent dans de nombreuses enzymes qui contrôlent des processus essentiels dans divers organismes, y compris chez l'homme. Un consortium international dirigé par des scientifiques de l'Institut de Biologie Structurale (CEA-Irig/IBS) vient de combiner des techniques expérimentales afin de découvrir le fonctionnement moléculaire d’un prototype de photorécepteurs* à vitamine B12, CarH.​

​Il y a dix ans, il a été découvert avec surprise que les dérivés de la vitamine B12 sont utilisés pour la détection de la lumière par une grande famille de photorécepteurs jusqu'alors inconnus chez les bactéries, qui remplissent diverses fonctions.

Un prototype de photorécepteurs à vitamine B12, CarH, régule par exemple l'expression des gènes impliqués dans la protection des bactéries contre un excès de lumière solaire. Il y parvient en se liant à l'ADN dans l'obscurité, agissant comme un butoir moléculaire. Lorsqu'il est exposé à la lumière, son architecture tétramérique se désagrège, permettant la transcription en se détachant de l'ADN.

Toutefois le fonctionnement moléculaire précis de ce photorécepteur et d'autres photorécepteurs à vitamine B12 est resté un mystère depuis lors. Un consortium international dirigé par des scientifiques du CEA-Irig/IBS vient de combiner des techniques expérimentales utilisant des lasers à électrons libres X (XFEL) en Suisse et au Japon, ainsi que le synchrotron ESRF à Grenoble, avec des calculs de chimie quantique afin d'élucider le fonctionnement moléculaire de CarH. 

Après avoir déclenché la photoactivité chez CarH à l'aide d'une impulsion intense de lumière laser visible, les chercheurs ont observé les changements structuraux du photorécepteur en temps réel. Depuis les premiers instants suivant l'absorption de la lumière à l'échelle de la nanoseconde jusqu'à la perte de l'architecture tétramérique du photorécepteur, l'étude révèle la séquence d'événements moléculaires orchestrés qui sous-tendent son fonctionnement. De manière surprenante, les chercheurs ont découvert un état intermédiaire inattendu que le photorécepteur adopte de manière transitoire pendant le processus de réaction. Cet état serait destiné à protéger le photorécepteur contre le retour à son état initial et à le diriger vers la poursuite de la réaction. Un tel état intermédiaire n'a pas été observé chez les enzymes à vitamine B12, ce qui en fait une explication plausible de la capacité de détection de la lumière des photorécepteurs à vitamine B12. ​​

Figure : Une impulsion d’un laser intense photoexcite une molécule de vitamine B12 au sein du photorécepteur CarH. Les changements conformationnels qui s’en suivent mènent à la désintégration de son architecture tétramérique. © CEA-Irig/IBS/M. Davila ​

Comprendre le fonctionnement de CarH au niveau moléculaire va permettre de modifier ce photorécepteur pour des applications biotechnologiques, telles que l'optogénétique, qui consiste à contrôler des processus cellulaires à l'aide de la lumière.​

cofacteur organométallique* : molécule organique contenant un ou plusieurs ions métalliques, nécessaire à une enzyme pour catalyser une réaction donnée.

L'IBS est une Unité Mixte de Recherche (UMR 5075, CEA-CNRS-UGA).

L'étude a été financée par l'ANR, le CNRS, le Partenariat Hubert Curien (PHC) Sakura, et l'EPSRC et faisaient intervenir des étudiants en thèse financés par le CEA, GRAL et l'ENS Paris.

L'étude à été menée au sein d'une collaboration entre des chercheurs de l'IBS, de l'ESRF, des Universités de Manchester (Angleterre), Louisville (États Unis), Hyogo (Japon), Saarland (Allemagne), des XFELs de l'Institut Paul Scherrer (Suisse) et de SACLA (Japon) et du synchrotron DLS (Angleterre).​​